5. Wytwarzanie światłowodowych struktur periodycznych
5.3. Typy siatek Bragga
Ze względu na warunki zapisu FBG oraz rodzaj użytego światłowodu możemy wyróżnić cztery typy wytwarzanych siatek Bragga. Powstające w różnych warunkach struktury różnią się mechanizmem zapisu. Powstałe siatki różnią się właściwościami, takimi jak głębokość modulacji współczynnika załamania, czy trwałość termiczna.
Typ I siatek Bragga charakteryzuje się monotonicznym wzrostem głębokości modulacji współczynnika załamania w funkcji ilości energii dostarczonej do rdzenia światłowodu w procesie zapisu. Wraz ze wzrostem ilości energii następuje również zjawisko przesunięcia fali Bragga siatki w stronę fal dłuższych (tzw. red shift). Zjawisko to zostało opisane w rozdziale 8.5. Siatki te mogą być wytworzone we wszystkich rodzajach włókien domieszkowanych GeO2, domieszkami zwiększającymi fotoczułość, we włóknach wodorowanych i niewo-dorowanych [73].
44
Reflektancja R tych struktur zmierzona z wykorzystaniem widma odbiciowego spełnia równanie:
𝑅 = 1 − 𝑇, (5.11)
gdzie T jest wartością transmisji dla długości fali Bragga. Oznacza to, że straty rozproszeniowe oraz absorpcyjne struktur wytworzonych tą metodą są niewielkie. Jest to podstawowy typ FBG znajdujący zastosowanie w telekomunikacji i do budowy czujników światłowodowych. Wytrzymałość temperaturowa siatek pierwszego typu nie przekracza zazwyczaj 200 ⁰C [74,75].
Typ II siatek Bragga otrzymywany jest poprzez zwiększenie energii promieniowania podczas procesu zapisu. W efekcie powstają fizyczne uszkodzenia w rdzeniu światłowodu lub na granicy płaszcza i rdzenia. Podczas zapisu tego typu struktury często dochodzi również do uszkodzenia wewnątrz płaszcza włókna lub na jego powierzchni [28,33]. Rysunek 5.24 przedstawia zdjęcie mikroskopowe siatki II typu z widocznymi rozproszeniami w miejscach uszkodzenia płaszcza i rdzenia światłowodu.
Rys. 5.24. Zdjęcie mikroskopowe siatki Bragga II typu [33]
Istnieje pewien określony przedział energii promieniowania, w przypadku źródeł impulsowych jest to wartość energii pojedynczych impulsów, która dla dolnej granicy umożliwia zapis siatki Bragga, a dla granicy górnej powoduje zniszczenie światłowodu uniemożliwiając propagację światła [75]. Można stwierdzić, że siatki tego typu powstają na progu zniszczenia włókna światłowodowego w procesie zapisu. Siatki II typu mogą być zapisane za pomocą pojedynczego impulsu laserowego [33].
45
Widmo siatek II typu zwykle posiada nieregularne kształty. Rysunek 5.25 przedstawia spektrum transmisyjne siatki II typu.
Rys. 5.25. Spektrum transmisyjne siatki II typu [76]
Cechą charakterystyczną siatek II typu jest wysoka wytrzymałość temperaturowa. Przekracza ona 700 ⁰C [28,75]. Zostało to zobrazowane na rysunku 5.26 przedstawiającym zależność głębokości modulacji współczynnika załamania światła w strukturze FBG w funkcji temperatury wygrzewania siatki dla siatek I i II typu.
46
Na widocznej na wykresie 5.26 charakterystyce dla siatki I typu spadek głębokości modulacji współczynnika załamania następuje dla temperatury 200 ⁰C, natomiast zanik struktury Bragga dla siatki II typu widoczny jest wyraźnie dla temperatury wyższej niż 900 ⁰C. Najwyższa uzyskana wytrzymałość temperaturowa siatek II typu sięga 1200 ⁰C. Wartość ta została uzyskana dla struktur wytworzonych z użyciem impulsów laserowych o długościach femtosekundowych [77].
Siatki typu IA po raz pierwszy zostały opisane w 2002 roku [78]. W pierwszym etapie mechanizm wytwarzania tych struktur polega na zapisie siatki pierwszego typu w światłowodzie poddanym wcześniejszemu procesowi wodorowania. W drugim etapie przedłużona ekspozycja na promieniowanie UV powoduje zanik zapisanej struktury i zapisanie na jej miejscu nowej siatki. Z tego powodu siatki te nazywa się często regenerowanymi. Rola procesu wodorowania włókien światłowodowych, czego skutkiem jest występowanie wodoru i jego izotopu w rdzeniu światłowodu, nie jest do końca wyjaśniona. Uważa się, że zmiana głębokości modulacji współczynnika załamania w tego typu strukturach powodowana jest poprzez indukowanie anizotropowych naprężeń. Powstają one w obszarach ekspozycji promieniowania, w których tworzą się grupy OH i jony H- zmieniające gęstość ośrodka [79]. Możliwa do uzyskania głębokość modulacji współczynnika załamania w tych strukturach jest mniejsza niż dla siatek typu I. Natomiast wytrzymałość temperaturowa jest większa niż w siatkach typu I i osiąga 500 ⁰C [80].
Na rysunku 5.27 przedstawiono model profilu współczynnika załamania siatki Bragga typu IA.
47
W porównaniu do siatek I typu profil siatki IA charakteryzuje się występowaniem wyższej wartości składowej stałej współczynnika modulacji załamania siatki (większej niż 10-2) i przesunięciem długości fali Bragga B w stronę fal dłuższych większym niż 10 nm [80], przy czym przesunięcie B dla siatek I typu zwykle nie przekracza 1 nm. Na rysunku 5.28 przedstawiono wykres przesunięcia długości fali Bragga w funkcji ilości energii dostarczonej w procesie zapisu.
Rys. 5.28. Wykres zależności przesunięcia fali Bragga w funkcji energii dostarczonej w procesie zapisu dla siatki Bragga typu IA [81]
Krzywa o największym nachyleniu (rys. 5.28) została uzyskana dla najwyższej energii impulsów laserowych. Uzyskane przesunięcie długości fali Bragga wynosi 18 nm.
Kolejną grupą FBG są siatki typu IIA, powstają one we włóknach światłowodowych niepoddanych procesowi wodorowania. Podobnie jak w przypadku siatek typu IA, wytwarzanie tych struktur jest wieloetapowe. Rysunek 5.29 przedstawia charakterystyki widmowe struktury Bragga typu IIA w poszczególnych etapach jej wytwarzania. Przebiegi zarejestrowane w pierwszym etapie wytwarzania (type I stage, rys. 5,29), w którym powstaje siatka I typu uwidaczniają charakterystyczne przesunięcie centralnej długości fali w stronę fal dłuższych (tzw. red shift). W drugim etapie następuje zanik siatki I typu. W trzecim etapie ( type IIa stage, rys. 5.29) następuje ponowny zapis struktury Bragga. Mechanizm powstawania modulacji współczynnika załamania polega na powstawaniu naprężeń w szkle w miejscu maksimów wzoru interferencyjnego promieniowania UV. Towarzyszy temu zmniejszenie wartości współczynnika załamania w obrębie struktury i co za tym idzie charakterystyczne dla siatek tego typu przesunięcie fali Bragga w stronę fal krótszych (tzw. blue shift) [81]. Wytrzymałość na temperaturę tych struktur przekracza 500 ⁰C [82].
48
Rys. 5.29. Charakterystyki widmowe siatki Bragga typu IIA w poszczególnych etapach jej wytwarzania [83]
Ze względu na występowanie naprężeń, czułość na temperaturę dla siatek typu IIA jest najwyższa spośród wszystkich typów. Tabela 5.1 przedstawia wartości współczynnika czułości na temperaturę dla siatek Bragga różnych typów o zbliżonych parametrach. Najniższa czułość na temperaturę charakteryzuje siatki typu 1A.
Tabela 5.1. Wartości czułości na temperaturę siatek Bragga różnych typów [84]
Typ siatki Bragga Czułość termiczna (pm/⁰C)
I 8
IA 6
IIA 11
W zależności od zastosowania możliwy jest więc odpowiedni dobór typu struktury Bragga. Możliwe jest również wytworzenie układów hybrydowych, zawierających siatki Bragga różnych typów. Różna czułość użytych struktur pozwala na określenie wpływu zmiany temperatury przy pomiarze innych wielkości fizycznych.
W literaturze wprowadzono również rozszerzoną nomenklaturę określającą typy światłowodowych siatek Bragga. W porównaniu z klasycznym podziałem uwzględnia ona precyzyjniej przede wszystkim mechanizm powstawania siatek
49
Bragga oraz ich odmienne właściwości wynikające ze sposobu zapisu. Tabela 5.2 przedstawia zestawienie różnych typów siatek oraz ich podstawowe właściwości.
Tabela 5.2. Typy światłowodowych siatek Bragga oraz ich właściwości [80] Typ siatki Nowy podział Typ siatki Stary podział Właściwości Wytrzymałość termiczna Zastosowania Typ I Typ I FBG zapisane we włóknach z domieszką fotouczulającą. Możliwy zapis w domieszkowanych włóknach fotonicznych. Charakterystyczny red shift. Występujące naprężenia zależne od ilości promieniowania i historii światłowodu Do ~320 ⁰C Telekomunikacja, czujniki, bio-diagnostyka, lasery
Typ In Typ IIA
Wieloetapowy proces wytwarzania, powstają na
siatkach I typu. Występowanie określone przez warunki wyciągania włókna, domieszkowanie, natężenie promieniowania, występujące naprężenia, stopień fotouczulenia. Charakterystyczny blue shift Do 800 ⁰C Czujniki temperatury, lasery Typ IH Typ I (H2)
Pozornie podobne do typu I, zwiększona modulacja współczynnika załamania
poprzez wodorowanie. Powstające defekty i połączenia z atomami wodoru powodują zmianę współczynnika załamania. Mniejsze naprężenia w
porównaniu z typem I
<320 ⁰C Większa dla włókien
bez domieszki GeO2,
wytwarzanych przy użyciu krótkich impulsów i krótszych długości fali (193nm) Telekomunikacja, czujniki, bio-diagnostyka, lasery
Typ IHp Typ IA
Powstają w warunkach przedłużonej ekspozycji włókien wodorowanych. Bardzo duży red shift. Modulacja współczynnika
załamania bardzo mała
Do 500 ⁰C dla włókien domieszkowanych
GeO2
50
Tabela 5.2 cd. Typy światłowodowych siatek Bragga oraz ich właściwości [80] Typ siatki Nowy podział Typ siatki Stary podział Właściwości Wytrzymałość termiczna Zastosowania Typ IHs Zastosowanie dodatkowych technik w procesie wodorowania tj. ogrzewanie czy ekspozycja na promieniowanie laserowe umożliwia uzyskanie siatek o lepszych parametrach lub o większej liniowości
charakterystyk Do 500 ⁰C Do 600 ⁰C we włóknach domieszkowanych P2O5 Telekomunikacja, czujniki temperatury, lasery Typ Id
Zwykle zapisane tuż poniżej progu zniszczenia
szkła. Możliwy zapis we włóknach o strukturze wykonanej z pojedynczego materiału Czujniki, lasery Typ II Typ II Wytworzone w warunkach powyżej progu uszkodzenia szkła. Promieniowanie powoduje pękanie, występowanie pustych przestrzeni i krystalizację. Do kategorii zaliczane są siatki wytworzone za pomocą impulsów femtosekundowych >1000 ⁰C
Lasery dużej mocy (zależy od domieszek), czujniki wysokich temperatur Typ R Powstają poprzez wygrzewanie siatek I typu
w temperaturze >500 ⁰C, właściwości podobne do typu II jednak bez strat
rozproszeniowych >1000 ⁰C Zależne od temperatury mięknięcia szkła w rdzeniu światłowodu Stabilna praca, czujniki, lasery
Przedstawiona w tabeli 5.2 nomenklatura nie jest powszechnie używana. W najnowszych doniesieniach literaturowych wykorzystuje się stare nazewnictwo. Nowsze nazewnictwo jest stosowane głównie w przypadkach, kiedy wytwarzane struktury, ze względu na metodę wytwarzania i właściwości, nie mieszczą się w ramach klasycznego podziału i nazewnictwa.
51