Index of /rozprawy2/11191

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Katedra Metrologii i Elektroniki. Rozprawa doktorska. ANALIZA WPŁYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW UKŁADU DO ZAPISU ŚWIATŁOWODOWYCH STRUKTUR PERIODYCZNYCH NA CHARAKTERYSTYKI SPEKTRALNE WYTWARZANYCH SIATEK BRAGGA W OPARCIU O ZDEFINIOWANE WSKAŹNIKI JAKOŚCIOWE. mgr inż. Krzysztof Skorupski. Promotor: dr hab. inż. Piotr Kisała Promotor pomocniczy: dr inż. Sławomir Cięszczyk. Kraków 2017.

(2) Serdeczne podziękowania składam Panu dr hab. inż. Piotrowi Kisale Panu dr inż. Sławomirowi Cięszczykowi oraz Kolegom z Zespołu Badawczego za pomoc w realizacji niniejszej pracy.

(3) Spis treści Wykaz ważniejszych oznaczeń ............................................................................. 5 1. Wstęp. ......................................................................................................... 6. 2. Cel i zakres pracy .............................................................................................. 8 3. Geneza problemu i teza pracy .......................................................................... 9 3.1. Geneza problemu ....................................................................................... 9 3.2. Teza pracy .................................................................................................10 4. Światłowodowe siatki Bragga.........................................................................11 4.1. Zasada działania światłowodowych siatek Bragga ...................................11 4.2. Rodzaje światłowodowych siatek Bragga .................................................12 4.3. Wskaźniki jakościowe światłowodowych struktur periodycznych uzyskane na podstawie ich widm.....................................................................15 5. Wytwarzanie światłowodowych struktur periodycznych ..............................21 5.1. Czułość światłowodów na działanie promieniowania świetlnego .........21 5.2. Metody wytwarzania światłowodowych struktur periodycznych .........27 5.2.1. Metoda holograficzna .......................................................................28 5.2.2. Metoda maski fazowej......................................................................30 5.2.3. Metoda holograficzna z wykorzystaniem maski fazowej .................38 5.2.4. Metoda punkt po punkcie ................................................................41 5.3. Typy siatek Bragga..................................................................................43 6. Modelowanie światłowodowych struktur periodycznych .............................51 6.1. Wyniki modelowania światłowodowych struktur periodycznych .........51 7. Projekt i wykonanie linii technologicznej do wytwarzania struktur periodycznych we włóknach światłowodowych....................................................55 7.1. Źródło promieniowania laserowego ......................................................55 7.2. Projekt układu przeniesienia wiązki promieniowania UV z lasera na włókno światłowodowe oraz sterowania wiązką ..................................56 7.2.1. Pomiar rozkładu natężenia wiązki laserowej w układzie przeniesienia na włókno światłowodowe ....................................................63 7.2.2. System dystansowania i obserwacji położenia włókna światłowodowego względem maski fazowej ...............................................69.

(4) 7.3. Określenie warunków nieniszczących propagacji światła w układzie do zapisu siatek Bragga ............................................................................73 7.3.1. Określenie LIDT na podstawie danych literaturowych .......................74 7.3.2. Doświadczalne określenie LIDT ...........................................................76 8. Wyniki badań wytworzonych struktur periodycznych ...................................79 8.1. Określenie typu wytwarzanych struktur Bragga .......................................81 8.2. Analiza powtarzalności wytwarzania siatek Bragga w zaprojektowanym układzie .......................................................................................84 8.3. Analiza wpływu przesunięcia światłowodu wzdłuż osi optycznej układu w procesie zapisu siatek Bragga na parametry jakościowe wytworzonych struktur ............................................................................90 8.4. Analiza wpływu przesunięcia światłowodu prostopadle do osi optycznej układu w procesie zapisu siatek Bragga na parametry jakościowe wytworzonych struktur .........................................................93 8.5. Analiza wpływu zmiany czasu ekspozycji światłowodu w procesie zapisu siatek Bragga na parametry jakościowe wytworzonych struktur.....................................................................................................97 8.6. Analiza wpływu zmiany częstotliwości generowanych impulsów laserowych w procesie wytwarzania siatek Bragga na parametry jakościowe wytworzonych struktur .......................................................110 8.7. Analiza wpływu zmiany częstotliwości generowanych impulsów laserowych oraz czasu zapisu w procesie wytwarzania siatek Bragga na reflektancję wytworzonych struktur .................................................115 8.8. Analiza wpływu zmiany energii impulsów laserowych w procesie zapisu siatek Bragga na parametry jakościowe wytworzonych struktur...................................................................................................116 8.9. Ocena wpływu wybranych parametrów układu do zapisu siatek Bragga w oparciu o zdefiniowane wskaźniki oraz kierunki rozwoju technologii wytwarzania światłowodowych siatek Bragga w laboratoriach Zakładu Optoelektroniki i Sieci Teleinformatycznych Politechniki Lubelskiej ................................................................119 9. Podsumowanie i wnioski ..............................................................................122 Literatura. .....................................................................................................124.

(5) Wykaz ważniejszych oznaczeń  d  n nAC. – – – – –. nDC. –. nUV. –. – – – – FWHM – L – –  PM – – B – UV n – neff – n0 – R – – 2 –  ZT –. L T E F. nachylanie zbocza charakterystyki widmowej struktury Bragga średnica rdzenia naprężenie względne światłowodu głębokość modulacji współczynnika załamania w strukturze Bragga składowa zmienna modulacji współczynnika załamania w strukturze Bragga składowa stała modulacji współczynnika załamania w strukturze Bragga współczynnik załamania ośrodka dla długości promieniowania laserowego wydłużenie światłowodu zmiana temperatury energia gęstość energii szerokość połówkowa widma współczynnik reflektancji płatu bocznego pierwszego rzędu okres siatki Bragga okres maski fazowej (dyfrakcyjnej) długość fali Bragga długość fali promieniowania laserowego współczynnik załamania ośrodka efektywny współczynnik załamania modu współczynnik załamania próżni współczynnik odbicia struktury Bragga kąt ugięcia promienia za maską fazową czas trwania impulsu odległość Talbota. 5.

(6) 1. Wstęp Dynamiczny rozwój sieci telekomunikacyjnych rozpoczęty w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych sprawił, że podstawowym medium transmisyjnym stały się włókna światłowodowe. Technologia ta dominuje do chwili obecnej i jest stale rozwijana. Jej nieodłącznym elementem są światłowodowe siatki Bragga FBG (ang.: Fiber Bragg Grating) wykorzystywane w sieciach transmisyjnych, jako element multipleksacji i demultipleksacji sygnałów optycznych [1,2]. Równolegle następuje również rozwój techniki czujników o konstrukcji opartej na siatkach Bragga [3,4]. Czujniki tego typu odnajdują swoje zastosowanie głównie w obszarach, w których użycie czujników elektronicznych jest utrudnione lub niemożliwe. Powstają wyspecjalizowane systemy czujnikowe przeznaczone do pomiaru żądanych wielkości fizycznych w ściśle określonych warunkach. Opracowywanie nowych rodzajów czujników wymaga odpowiedniego kształtowania charakterystyk widmowych siatek Bragga, stosowanych w charakterze przetworników pomiarowych [5,6]. Właściwości takich struktur są często inne niż w przypadku zastosowań telekomunikacyjnych [7,8]. W niniejszej pracy autor prezentuje opracowanie i analizę technologii wytwarzania światłowodowych siatek Bragga w tym projekt i realizację układu do zapisu światłowodowych struktur periodycznych oraz analizę powiązań parametrów tego układu ze zdefiniowanymi wskaźnikami opisującymi widma optyczne wytwarzanych struktur. Zawartość pracy obejmuje trzy rozdziały wprowadzające oraz sześć rozdziałów merytorycznych. W rozdziale czwartym przedstawiono zasadę działania światłowodowych siatek Bragga, opisano rodzaje siatek Bragga oraz zdefiniowano wskaźniki jakościowe charakteryzujące struktury periodyczne. Rozdział piąty opisuje główne elementy technologii wytwarzania światłowodowych siatek Bragga. Przedstawione zostały techniki zwiększania czułości włókien światłowodowych na działanie promieniowania świetlnego, metody wytwarzania siatek Bragga oraz podział wytwarzanych struktur ze względu na mechanizm indukowania zmiany współczynnika załamania w strukturze Bragga. W rozdziale szóstym zaprezentowano wyniki symulacji światłowodowych struktur periodycznych. Obliczenia wykonano dla parametrów wejściowych odwzorowujących warunki zapisu siatek Bragga w zaprojektowanym układzie. Rozdział siódmy przedstawia projekt układu do zapisu struktur periodycznych. Pierwszy podrozdział obejmuje charakterystykę źródła promieniowania laserowego użytego w przeprowadzonych badaniach. 6.

(7) Następnie zaprezentowano projekt układu przeniesienia wiązki promieniowania z wyjścia lasera na włókno światłowodowe. W dalszej części przedstawiono wyniki pomiarów rozkładu wiązki promieniowania oraz określono bezpieczne warunki pracy układu dla zastosowanych elementów optycznych, ze względu na występowanie dużej gęstości energii promieniowania laserowego. Rozdział ósmy dotyczy badania wpływu parametrów układu do zapisu siatek Bragga na zdefiniowane wskaźniki określające wytwarzane struktury. Zawiera on również analizę uzyskanych wyników. Ostatni rozdział zawiera wnioski wynikające z przeprowadzonych badań oraz określa kierunki rozwoju technologii wytwarzania światłowodowych struktur periodycznych w laboratoriach Politechniki Lubelskiej.. 7.

(8) 2. Cel i zakres pracy Celem niniejszej pracy było wykazanie możliwości uzyskania określonych parametrów światłowodowych siatek Bragga poprzez zmianę warunków prowadzenia wiązki lasera UV zapisującego siatki, w tym również wykazanie możliwości uzyskania optymalnych wartości parametrów siatek, pożądanych w zastosowaniach telekomunikacyjnych i czujnikowych, poprzez odpowiedni dobór parametrów optycznych, mechanicznych i elektrycznych układu laserowego do zapisu siatek. Zakres pracy obejmował przeprowadzenie obliczeń numerycznych światłowodowych siatek Bragga, które pozwoliły na uzyskanie widm transmisyjnych i odbiciowych dla struktur o żądanych parametrach wejściowych. Pozwoliło to na analizę zdefiniowanych parametrów jakościowych siatek Bragga na podstawie ich właściwości spektralnych. Zakres obejmował również przegląd możliwych do zastosowania w warunkach laboratoryjnych technik zapisu siatek Bragga pod kątem m.in. metody zapisu oraz wyboru źródła światła umożliwiającego zapis siatek. Część doświadczalna pracy obejmowała zaprojektowanie układu optycznego przeniesienia wiązki promieniowania lasera, zaprojektowanie mechanicznego układu mikromanipulacji włókna światłowodowego, wykonanie i uruchomienie kompletnego układu do zapisu siatek Bragga oraz zestawienie układu do charakteryzacji właściwości optycznych wytworzonych struktur w świetle odbiciowym i przechodzącym. Ostatnim elementem było przeprowadzenie analizy wpływu wybranych parametrów opracowanego układu w oparciu o zdefiniowane kryteria jakościowe.. 8.

(9) 3. Geneza problemu i teza pracy 3.1. Geneza problemu. 1. 1. 0.8. 0.8. wsp. transmisji. wsp. transmisji. Kształt charakterystyki widmowej siatki Bragga przeznaczonej do zastosowań telekomunikacyjnych musi posiadać określone właściwości. Wymagana jest struktura, której charakterystyka widmowa jest dopasowana do szerokości pojedynczego kanału w systemach transmisji zwielokrotnienia długości fali. Szerokość ta jest rzędu kilku dziesiątych nanometra. Struktura powinna cechować się również wysokim współczynnikiem odbicia. Taki rodzaj siatek Bragga znajduje także zastosowanie czujnikowe, jednak w znaczącej części aplikacji wymagane są struktury, których widmo odbiega od typowego teoretycznego widma struktury czujnikowej [9,10,11]. Zostało to schematycznie przedstawione na rysunku 3.1. Charakterystyka widoczna na rys. 3.1b posiada widmo o większej szerokości w porównaniu z widmem przeznaczonym do zastosowań telekomunikacyjnych widocznym na rys. 3.1a. Wpływ wybranych wielkości fizycznych może być wtedy wyznaczony poprzez zmianę kształtu widma, a nie wyłącznie jako jego przesuniecie spektralne. Na rysunku 3.1b zaznaczono część charakterystyki widmowej, na której kształt mają wpływ zmiany parametrów fizycznych takich jak temperatura, naprężenie czy wydłużenie.. 0.6. 0.4. 0.2. . L. 0.6. 0.4. 0.2. 0 1553.2 1553.6. T. 0 1554 1554.4 1554.8 1555.2 długość fali [nm]. 1553.2 1553.6. (a). 1554 1554.4 1554.8 1555.2 długość fali [nm]. (b). Rys 3.1. Charakterystyki spektralne siatek Bragga do zastosowań telekomunikacyjnych (a) oraz czujnikowych (b). O ile w przypadku siatek Bragga do zastosowań telekomunikacyjnych nie ma problemu z dostępnością handlową, o tyle w przypadku pozostałych struktur 9.

(10) dostępność jest bardzo ograniczona i w zasadzie zawęża się do współpracy z nielicznymi ośrodkami naukowymi dysponującymi technologią wytwarzania światłowodowych siatek Bragga. Zapis nietypowych struktur Bragga często wymaga zastosowania innego rodzaju włókien niż standardowe telekomunikacyjne [12]. Obecnie dużo zastosowań znajdują włókna fotoniczne [13,14]. Rozwój światłowodowej techniki czujnikowej jest więc ograniczony dostępnością technologii wytwarzania odpowiednich struktur. W laboratoriach Politechniki Lubelskiej od wielu lat trwają badania w zakresie szeroko pojętej techniki światłowodowej. Prowadzone są również badania z wykorzystaniem światłowodowych siatek Bragga do zastosowań czujnikowych. Badania te przyczyniły się do rozwoju jednostki, polegającego na stworzeniu technologii wytwarzania struktur periodycznych. Niniejsza praca jest istotnym elementem rozwoju tej technologii. Wytwarzanie siatek Bragga, jak każda zaawansowana technologia jest osiągnięciem poszczególnych zespołów badawczych i z reguły nie jest wiedzą upowszechnioną. Prace opublikowane w tym obszarze przedstawiają efekty prowadzonych badań w postaci struktur Bragga możliwych do uzyskania za pomocą konkretnej techniki wytwarzania. Poszczególne kroki wykonywane w konkretnym procesie, ustawienia konfiguracyjne, jak też schematy zastosowanych układów nie są szczegółowo prezentowane. O możliwościach wytworzenia określonej struktury decydują także, a może przede wszystkim, umiejętności osób zajmujących się daną technologią (tzw. know-how). Opracowywana technologia składa się w dużej mierze z szeregu zależności pomiędzy parametrami układu wytwarzania światłowodowych struktur periodycznych a kształtem charakterystyk widmowych wytwarzanych struktur. Analiza tych zależności i wynikające z niej wnioski poprzedzone przeprowadzonymi obliczeniami numerycznymi stanowią przedmiot niniejszej rozprawy.. 3.2. Teza pracy Dobór parametrów układu laserowego do zapisu siatek Bragga oraz zdefiniowanie odpowiednich kryteriów jakościowych siatek na podstawie ich widm, pozwala na wytworzenie struktur periodycznych o właściwościach odpowiednich do zastosowań w układach czujnikowych.. 10.

(11) 4. Światłowodowe siatki Bragga 4.1. Zasada działania światłowodowych siatek Bragga Światłowodowa siatka Bragga jest strukturą zapisaną w rdzeniu światłowodu składającą się ze skończonej liczby następujących po sobie obszarów szkła o zmieniającej się wartości współczynnika załamania. Zmiany te mają charakter sinusoidalny. Właściwości tej struktury określone są poprzez okres tych zmian  oraz ich amplitudę n. Typowa wartość okresu , nazwanego stałą siatki Bragga, dla włókien ze szkła krzemionkowego przeznaczonych do pracy w trzecim oknie transmisyjnym, wynosi około 500 nm. Przy długości struktury rzędu kilku milimetrów uzyskujemy sieć o kilku tysiącach okresów. Amplituda zmian, czyli głębokość modulacji współczynnika załamania, mieści się zazwyczaj w zakresie od 10-5 do 10-2. Na rysunku 4.1 przedstawiono schemat siatki Bragga oraz wykres modulacji współczynnika załamania wewnątrz siatki.. . neff(d). nAC(d) neff(d) nDC(d). neff Oś światłowodu z [j.u]. Rys 4.1. Schemat światłowodowej siatki Bragga oraz wykres modulacji współczynnika załamania w rdzeniu światłowodu. W procesie zapisu FBG ekspozycja fotoczułego rdzenia światłowodu na działanie promieniowania o określonej długości fali powoduje modyfikację współczynnika załamania proporcjonalną do dostarczonej energii promieniowania E. Zapis siatek Bragga następuje poprzez umieszczenie włókna 11.

(12) w obszarze pola interferencyjnego. Uzyskuje się w ten sposób rozkład współczynnika załamania w osi włókna światłowodowego opisany równaniem: 𝑛𝑒𝑓𝑓 (𝑧, 𝐸) = 𝑛𝑒𝑓𝑓 + 𝛥𝑛(𝑧, 𝐸) = 𝑛𝑒𝑓𝑓 + (𝛥𝑛𝐷𝐶 (𝐸) + 𝛥𝑛𝐴𝐶 (𝐸) ∙ 𝑠𝑖𝑛(2𝜋⁄𝛬 ∙ 𝑧)), (4.1). gdzie neff jest wartością efektywnego współczynnika załamania rdzenia światłowodu poza siatką Bragga, n określa zmianę współczynnika załamania w siatce Bragga i jest sumą składowej stałej nDC oraz składowej zmiennej nAC o rozkładzie opisanym w osi włókna światłowodowego przez funkcję sinus. Struktura Bragga jest rozłożonym reflektorem zdolnym do wstecznego odbicia określonej długości fali spełniającej warunek Bragga: 𝑚𝜆𝐵 = 2 ∙ ̅̅̅̅̅̅ 𝑛𝑒𝑓𝑓 ∙ 𝛬 ,. (4.2). gdzie ̅̅̅̅̅̅ 𝑛𝑒𝑓𝑓 jest uśrednioną wartością składowej zmiennej modulacji współczynnika załamania w strukturze Bragga, B jest długością fali Bragga, m jest liczbą naturalną i określa rząd odbicia promieniowania,  jest stałą sieci [15]. Promieniowanie spełniające warunek Bragga na każdej z napotkanych zmian współczynnika załamania ulega rozproszeniu i niewielka cześć tego promieniowania propaguje w przeciwnym kierunku. Promienie te dodają się w fazie i tworzą, na zasadzie konstruktywnej interferencji, promień odbity od struktury Bragga. Zatem po wprowadzeniu do światłowodu promieniowania o szerokim zakresie spektralnym część jego widma spełniająca warunek (4.2) ulega odbiciu, a pozostała część promieniowania podlega dalszej propagacji.. 4.2. Rodzaje światłowodowych siatek Bragga Ze względu na rozkład amplitudy współczynnika załamania oraz stałej sieci wewnątrz struktury periodycznej możemy wyróżnić kilka rodzajów siatek Bragga. Podstawowym rodzajem siatki jest struktura prosta o stałym okresie oraz wartości głębokości modulacji współczynnika załamania wzdłuż osi włókna[16] (rys. 4.2).. 12.

(13) nAC. Z Rys. 4.2. Profil modulacji współczynnika załamania prostej struktury Bragga. Kolejnym rodzajem siatek są struktury apodyzowane, posiadające z reguły stałą wartość okresu i charakteryzujące się zmienną wartością głębokości modulacji współczynnika załamania wzdłuż siatki. Przykładowy rozkład współczynnika załamania dla tego typu struktury został przedstawiony na rysunku 4.3. nAC. Z. Rys. 4.3. Profil modulacji współczynnika załamania apodyzowanej struktury Bragga. Rozkład amplitudy współczynnika załamania w strukturze tego typu może być opisany określoną funkcją np. Gaussowską, bądź połową okresu funkcji sinus [17]. Kolejnym rodzajem struktur FBG są siatki chirpowe, których cechą jest zmienna wartość okresu sieci w strukturze Bragga [18]. Na rysunku 4.4 przedstawiona została siatka chirpowa o liniowej zmianie okresu. nAC. Z Rys 4.4. Profil modulacji współczynnika załamania chirpowej struktury Bragga. 13.

(14) Struktury tego typu charakteryzują się szerokim widmem odbicia, które w zależności od metody wytwarzania może się wahać od kilku od kilkuset nanometrów [19,20]. Kolejnym rodzajem struktur Bragga są siatki z przesunięciem fazowym (rys.4.5). nAC. Z. Rys 4.5. Profil modulacji współczynnika załamania struktury Bragga z przesunięciem fazowym. W strukturach tych występuje jedna lub więcej zmian współczynnika załamania światła polegających na przesunięciu fazowym wzdłuż profilu współczynnika złamania struktury [21,22]. Do światłowodowych siatek Bragga możemy również zaliczyć siatki superstrukturalne [23,24]. Wykorzystuje się w nich co najmniej dwie siatki FBG oddalone od siebie, tworząc rezonator Fabry’ego-Perota. Siatki te z kolei tworzą strukturę długookresową [25]. nAC. Z. Rys 4.5. Profil modulacji współczynnika załamania siatki supersttukturalnej. Na rysunku 4.6 przedstawiono schemat modulacji współczynnika załamania w siatce superstrukturalnej. Siatki tego typu mają duży potencjał w konstrukcji czujników światłowodowych [26,27].. 14.

(15) 4.3. Wskaźniki jakościowe światłowodowych struktur periodycznych uzyskane na podstawie ich widm Podczas procesu wytwarzania światłowodowych siatek Bragga niezbędna jest metrologiczna ocena właściwości powstałych struktur na podstawie pomiarów widm spektralnych. Wynikiem pomiarów są widma transmisyjne lub odbiciowe. Analiza tych widm dostarcza informację zwrotną, konieczną z punktu widzenia prowadzenia procesów zapisu siatek Bragga. Charakterystyki widmowe rzeczywistych struktur Bragga odbiegają od idealnego kształtu. Ich zniekształcenie polega m.in. na występowaniu nachylenia zbocza piku odbiciowego siatki i występowaniu tzw. wstęg bocznych (płatów bocznych). Kształt charakterystyk wraz z możliwymi zniekształceniami został przedstawiony na rysunkach 4.6 i 4.7. 1. wsp. transmisji. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0 1553.8. 1554. 1554.2 1554.4 długość fali [nm]. 1554.6. Rys. 4.6. Charakterystyki widmowe struktur Bragga z zaznaczonymi wstęgami bocznymi. Na rysunku 4.6 zaznaczone zostały wstęgi boczne. Za powstawanie tej części widma odpowiadają skrajne części struktury Bragga o stromym nachyleniu profilu modulacji współczynnika załamania [28]. Można założyć, że rozkład współczynnika załamania wzdłuż siatki prostej ma w przybliżeniu kształt prostokątny. Stosując analogię do transformaty Fouriera dla sygnału prostokątnego w dziedzinie czasu, jako widmo w dziedzinie częstotliwości otrzymujemy przebieg funkcji sinc(x) (rys. 4.8).. 15.

(16) 0.8. wsp. transmisji. 0.6. 0.4. 0.2.  0 1553.6. 1554 1554.4 długość fali [nm]. 1554.8. Rys. 4.7. Charakterystyki widmowe struktur Bragga z zaznaczonym nachyleniem zbocza piku odbiciowego. Stosując analogię to teorii filtrów zostało udowodnione, że można wpływać na kształt charakterystyki widmowej siatki Bragga poprzez zmianę kształtu profilu współczynnika załamania struktury Bragga [29,30]. W technologii światłowodowych siatek Bragga zjawisko to pierwszy raz zostało zaobserwowane przez K. O. Hill [17]. Zmiana kształtu profilu współczynnika załamania wzdłuż osi włókna światłowodowego nazywana jest apodyzacją. Obwiednia profilu współczynnika załamania może być wtedy opisana za pomocą funkcji trygonometrycznej bądź funkcją Gaussa. Amp.. Amp.. Z. . Rys 4.8. Transformata Fouriera dla sygnału prostokątnego. Ze względu na zróżnicowanie kształtu charakterystyk widmowych siatek Bragga, widma wytwarzanych struktur periodycznych zostały na potrzeby 16.

(17) opracowywanej technologii sparametryzowane poprzez wprowadzenie charakteryzujących je kryteriów jakościowych. Do podstawowych parametrów jakościowych można zaliczyć reflektancję wytworzonej struktury. Na rysunku 4.9 przedstawiona została metoda wyznaczenia reflektancji na podstawie charakterystyki transmisyjnej. 1. wsp. transmisji [0..1]. 0.8. R 0.6. 0.4. 0.2 1553. 1553.5. 1554 1554.5 długość fali [nm]. 1555. 1555.5. Rys. 4.9. Wyznaczenie reflektancji siatki Bragga na podstawie jej charakterystyki transmisyjnej. Zaznaczona wartość reflektancji jest stosunkiem różnicy wartości mocy dla części charakterystyki poza pikiem odbiciowym, która jest mocą odniesienia i wartości minimalnej mocy w punkcie szczytu piku odbiciowego do wartości mocy odniesienia. Rzeczywisty pomiar charakterystyki spektralnej cechuje się wpływem spektralnych zmian poziomu mocy widma. Jest to własność wynikająca z użytego do pomiaru źródła światła. Sposobem zminimalizowania wpływu kształtu charakterystyki widmowej źródła jest pomiar widma dla światłowodu bez zapisanej struktury Bragga i przedstawienie charakterystyki widmowej struktury Bragga, jako ilorazu dwóch zmierzonych widm. Wyznaczenie reflektancji dla widma odbiciowego jest problematyczne ze względu na trudność wyznaczenia wartości mocy odniesienia. Sposoby pomiaru reflektancji tą metodą obarczone są większym błędem niż w przypadku pomiaru z wykorzystaniem charakterystyki transmisyjnej [28]. W ramach niniejszej pracy pomiary reflektancji wytwarzanych struktur periodycznych przeprowadzono z wykorzystaniem widm transmisyjnych. Kolejny zdefiniowany parametr jakościowy określa długość fali odbijanej przez strukturę Bragga. Na rysunku 4.10a przedstawiono na wspólnym wykresie 17.

(18) charakterystykę transmisyjną i odbiciową siatki Bragga z zaznaczoną długością fali Bragga B. 1. 0.8. Współczynnik transmisji [0..1]. Współczynnik transmisji [0..1]. 1. R. 0.6. 0.4. 0.2. R. 0 B 1554 1554.1 1554.2 1554.3 1554.4 1554.5 długość fali [nm]. (a). 0.8 0.6. 50%. 0.4 0.2 0 1535. 1535.5 1536 1536.5 długość fali [nm]. 1537. (b). Rys. 4.10. Sposób wyznaczenia długości fali Bragga z użyciem charakterystyk widmowych. Charakterystyki transmisyjne i odbiciowe siatki Bragga (a), wykres spektralny dla siatki o dużej reflektancji i szerokości połówkowej. Długość fali Bragga B może być określana zarówno na podstawie charakterystyki transmisyjnej jak i odbiciowej, jako długość fali odpowiadająca maksymalnej reflektancji mierzonej siatki. W praktyce charakterystyka widmowa dla siatki Bragga charakteryzującej się dużą reflektancją, przebiega płasko dla szerokiego spektrum długości fal znajdujących się w pobliżu fali Bragga. Przykładowa charakterystyka rzeczywistej struktury Bragga o takim kształcie pokazana została na rys 4.10b. W wyniku występowania niewielkich zmian wartości współczynnika transmisji w obszarze szczytu charakterystyki oraz błędów wynikających z pomiaru pojawia się problem określenia wartości szczytowej piku i odpowiadającej jej wartości B. Rozwiązanie tego problemu możliwe jest za pomocą algorytmów znajdujących zastosowanie w detekcji szczytu piku struktur Bragga [31,32]. Na potrzeby niniejszej pracy wykorzystano metodę wyznaczenia punktu odpowiadającego geometrycznemu środkowi ciężkości dla części piku głównego charakterystyki o reflektancji większej niż połowa wartości maksymalnej reflektancji. Wartość obliczano na podstawie zależności: 𝜆𝑩 =. ∑𝑁 𝑖=1 𝜆𝑖 ∙𝐴𝑖 , ∑𝑁 𝑖=𝑖 𝐴𝑖. (4.3). gdzie: N - ilość punków widma, i – i-ta wartość długości fali, Ai – i-ta wartość amplitudy. 18.

(19) Kolejnym parametrem jakościowym widm siatek Bragga, określającym szerokość spektralną odbicia struktury periodycznej jest szerokość połówkowa FWHM (ang.: Full Width at Half Maximum). 1. Współczynnik transmisji [0..1]. 50%R. 0.8. R. 0.6. 0.4. 0.2. R 50%R. FWHM. 0 1553.6. 1554 1554.4 długość fali [nm]. 1554.8. Rys. 4.11. Widma transmisyjne i odbiciowe siatki Bragga z zaznaczoną szerokością połówkową FWHM. FWHM określona jest, jako odległość spektralna pomiędzy dwoma punktami piku odbiciowego, przy których przebieg przyjmuje połowę wartości szczytu piku. Na rysunku 4.11 przedstawiono widma transmisyjne i odbiciowe z zaznaczoną szerokością połówkową. Występowanie płatów bocznych na charakterystykach spektralnych siatek Bragga zostało sparametryzowane poprzez wprowadzenie kryterium odkreślającego wywołany przez nie poziom odbicia promieniowania. Na rysunku 4.12a przedstawiono wykres spektralny z zaznaczoną reflektancją płatu bocznego pierwszego rzędu L, charakteryzującego się najwyższą amplitudą. Reflektancja ta zdefiniowana została jako stosunek amplitudy odbicia promieniowania płatu pierwszego rzędu i piku głównego. Na rysunku 4.12b przedstawiony został wykres zależności pochodnej wycinka charakterystyki widmowej. Wartość współczynnika transmisji dla długości centralnej piku płatu bocznego została określona, na podstawie spektrum pochodnej, dla długości fali odpowiadającej zmianie znaku krzywej w obszarze płatu bocznego pierwszego rzędu. Wartość współczynnika transmisji dla piku centralnego została określona z wykorzystaniem algorytmu centroidów. 19.

(20) 0.8. 20. RL. R. 10. 0.6. dr/d. Współczynnik transmisji [0..1]. 1. L=RL/R. 0. 0.4 -10. 0.2 R. L RL. 0 1553.6. 1554 1554.4 długość fali [nm]. -20 1554.2. 1554.8. L. B. L. 1554.24 1554.28 1554.32 długość fali [nm]. (a). (b). Rys. 4.12Wyznaczenie reflektancji płatów bocznych z użyciem charakterystyk widmowych. Charakterystyki transmisyjne i odbiciowe siatki Bragga (a), wykres pochodnej charakterystyki widmowej (b). Na rysunku 4.13 przedstawiono kolejny wskaźnik jakościowy, czyli kąt nachylania zbocza piku odbiciowego określony dla przykładowych charakterystyk widmowych siatek Bragga. Współczynnik transmisji [0..1]. 1. . 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. . 0 1553.6. 1554 1554.4 długość fali [nm]. 1554.8. Rys. 4.13. Charakterystyki widmowe siatki Bragga z zaznaczonym kątem nachylenia zbocza centralnego piku siatki. Kąt nachylenia zbocza piku odbiciowego zawarty jest pomiędzy styczną do zbocza piku a podstawą piku. W przypadku braku symetrii widma struktury Bragga w ramach pracy określane zostały kąty dla obydwu zboczy piku centralnego i na ich podstawie obliczona została średnia arytmetyczna. 20.

(21) 5. Wytwarzanie światłowodowych struktur periodycznych W technologii wytwarzania światłowodowych siatek Bragga możemy wyróżnić trzy podstawowe elementy. Należą do nich:  technika fotouczulania włókna światłowodowego,  metoda wytwarzania struktury,  typ wytwarzanej struktury. Ze względu na rodzaj użytego światłowodu możemy wyodrębnić dwa rodzaje włókien poddanych procesowi wstępnego przygotowania do procesu zapisu. Proces ten ma na celu zwiększenie fotoczułości światłowodu, co umożliwia wytworzenie zmiany współczynnika załamania w strukturze siatki Bragga wielokrotnie większej w porównaniu ze standardowym telekomunikacyjnym światłowodem jednomodowym. Fotouczulenie rdzenia światłowodu może odbywać się na etapie produkcji preformy światłowodowej, poprzez domieszkowanie rdzenia światłowodu borem, cynkiem lub pierwiastkami ziem rzadkich, bądź poprzez poddanie światłowodu procesowi wodorowania, realizowane przez umieszczanie światłowodu w atmosferze wodoru w warunkach wysokiego ciśnienia i podwyższonej temperatury. Ze względu na metodę wytwarzania możemy wyróżnić trzy podstawowe metody zewnętrznego zapisu oraz szereg metod będących połączeniem metod podstawowych bądź ich rozwinięciem. Podstawowymi metodami są:  metoda interferometryczna,  metoda maski fazowej,  metoda punkt po punkcie. Dobierając odpowiednio przygotowane włókno światłowodowe oraz warunki procesu zapisu możemy wytwarzać struktury Bragga kilku typów, różniące się właściwościami i mechanizmem inskrypcji.. 5.1. Czułość światłowodów na działanie promieniowania świetlnego Zjawisko fotoczułości światłowodów wykonanych ze szkła krzemionkowego domieszkowanego germanem nie jest do końca wyjaśnione, jednak najbardziej prawdopodobną teorią, która je uzasadnia jest występowanie defektów wewnątrz domieszkowanego szkła [28]. Obecność atomów germanu w rdzeniu włókna, prowadzi do tworzenia wiązań z niedoborem tlenu. Tworzą się połączenia Si-Ge, Si-Si oraz Ge-Ge. Te z kolei tworzą defekty o przerwie energetycznej potrzebnej do rozerwania wiązania wynoszącej około 5eV. Absorpcja pojedynczego fotonu promieniowania o długości fali 248 nm (laser 21.

(22) ekscymerowy KrF) lub dwufotonowa absorpcja promieniowania lasera argonowego o długości 488 nm powoduje zerwanie tego wiązania i powstanie centrów GeE’ składających się z atomów germanu bez przyłączonych atomów tlenu. Wolne elektrony związane z centrami GeE’ mogą przemieszczać się wewnątrz sieci szkła dopóki nie zostaną zrekombinowane. Uważa się, że usuniecie tego elektronu powoduje rekonfigurację kształtu cząstki z germanem i prawdopodobnie zmianę absorpcji szkła. Zmiana absorpcji  materiału powoduje z kolei zmianę jego gęstości n określoną ilościowo za pomocą zależności Kramers–Kronig’a [28]. Dla włókien telekomunikacyjnych (o zawartości domieszki germanu na poziomie 3% molowych) uzyskana zmiana współczynnika szkła kształtuje się na poziomie 10-4, natomiast dla włókien o zwiększonej zawartości domieszki germanu osiąga się wartość 1x10-3 [33]. Zmiana zawartości domieszki we włóknie jednomodowym skutkuje zwiększeniem tłumienia światłowodu oraz koniecznością zmniejszenia średnicy rdzenia światłowodu w celu zachowania reżimu pracy jednomodowej włókna. Określa to zależność na częstotliwość znormalizowaną światłowodu: 𝑉=. 𝜋∙𝑑∙𝑁𝐴 𝜆. < 2.405,. (5.1). gdzie NA jest aperturą numeryczną światłowodu określoną jako: 𝑁𝐴 = √𝑛12 − 𝑛2 ,. (5.2). przy czym: n1 jest współczynnikiem załamania w rdzeniu światłowodu, n2 jest współczynnikiem załamania płaszcza światłowodu, d jest średnicą rdzenia, jest długością fali. Dla częstotliwości znormalizowanej mniejszej niż 2,405 w światłowodzie może propagować tylko mod podstawowy. Dwukrotne zwiększenie apertury numerycznej światłowodu, spowodowanej zwiększoną domieszką Ge02, skutkuje koniecznością proporcjonalnego zmniejszenia średnicy rdzenia, zachowując pracę jednomodową włókna dla tej samej długości fali. Pojawia się więc problem połączenia włókien światłowodowych tego typu z włóknami telekomunikacyjnymi. Poza tym wykonanie preformy światłowodowej o stężeniu tlenku germanu przekraczającym 10 % molowych jest utrudnione ze względu na występowanie wewnątrz rdzenia naprężeń powodujących pękanie preformy [34,35]. Zwiększona ilość domieszki powoduje również indukowanie dwójłomności we włóknie światłowodowym. Na rysunku 5.1 przestawiono wykres głębokości modulacji współczynnika załamania wytworzonej w strukturze Bragga w zależności od ilości energii dostarczonej w procesie zapisu, dla światłowodów o różnym poziomie domieszki germanowej [36]. 22.

(23) Użyte światłowody różniły się również ilością defektów (polegających na występowaniu połączeń Si-Ge, Si-Si oraz Ge-Ge, wynikających z braku atomów tlenu w strukturze szkła), co z kolei w dużej mierze wynika z technologii produkcji preformy światłowodowej [37].. Rys. 5.1. Wykres zaindukowanej głębokości zmiany współczynnika złamania w zależności od ilości energii dostarczonej w procesie zapisu dla światłowodów o różnym poziomie domieszki germanowej [36]. Na podstawie krzywych umieszczonych na wykresie (rys. 5.1) można stwierdzić, że wraz ze zwiększającą się ilością domieszki większa się fotoczułość włókien, przy czym zależność ta nie jest liniowa i jej dynamika znacząco rośnie wraz z ilością germanu w rdzeniu światłowodu. Na wykresie widoczna jest również znacząca różnica pomiędzy światłowodami o stężeniu domieszki germanowej wynoszącym 11 % mol, wykonanymi ze szkła o różnej ilości defektów odpowiedzialnych za zjawisko fotoczułości. Czułość włókna o większej ilości defektów jest w tym przypadku około czterokrotnie większa. Ze względu na konieczność zmiany geometrii światłowodów spowodowanej zwiększeniem ilości domieszki germanu w rdzeniu światłowodu, opracowana została technika domieszkowania włókien światłowodowych pierwiastkami takimi jak fosfor lub bor. Obniżają one wartość współczynnika złamania szkła krzemionkowego, co umożliwia zwiększenie domieszki germanu tak by wypadkowa wartość współczynnika załamania pozostała na poziomie włókien telekomunikacyjnych [28]. Rozwiązanie to wpływa na zwiększenie tłumienia światłowodów, jednak możliwość łatwego połączenia tych włókien ze światłowodami telekomunikacyjnymi pozwala na stosowanie krótkich odcinków 23.

(24) światłowodów z zapisanymi strukturami Bragga. Zaletą tego typu zwiększenia czułości włókna światłowodowego na działanie promieniowania UV jest jego trwałość. Uważa się, że zmiana fotoczułości wywołana w przedstawiony sposób nie podlega zmianom w całym czasie życia włókna. Na początku lat dziewięćdziesiątych stwierdzono, że wartość zmiany współczynnika załamania wywołanej przez absorpcję promieniowania UV można zwiększyć o dwa rzędy wielkości przez przygotowanie światłowodu w procesie wodorowania [37]. Proces ten polega na wprowadzeniu do struktury włókna cząstek wodoru, które rekombinują z atomami tlenu tworząc jony OH, jednocześnie zwiększając liczbę wiązań krzemu i germanu z niedoborem atomu tlenu. Podobnie jak we włóknach o zwiększonej domieszce germanu i boru, wodorowanie zwiększa tłumienie włókna światłowodowego. Wynika ono ze zwiększenia resztkowej zawartości wody w rdzeniu włókna, która powoduje wzrost tłumienia przy długości fali 1,39 m, 1,25 m i 0,95 m o wartościach odpowiednio 50, 3 i 1 dB/km przy zawartości 1 ppm grupy OH w szkle [38]. Proces wodorowania może zwiększać tłumienie dla długości fali 1,39 mm o kilka decybeli, co przy tej wartości wpływa na propagację światła w obszarze drugiego i trzeciego okna transmisyjnego [39]. Możemy wyróżnić dwa sposoby wodorowania włókien. Rzadziej stosowanym rozwiązaniem jest wodorowanie płomieniowe polegające na umieszczeniu preformy światłowodowej w palniku wodorotlenowym. Zdecydowanie częściej stosowaną techniką jest zimne wodorowanie, które polega na umieszczeniu włókna światłowodowego w atmosferze wodoru pod ciśnieniem sięgającym 800 atm, często przy podniesionej temperaturze, dochodzącej do 150 °C. Wysoki efekt fotoczułości dla włókna telekomunikacyjnego o średnicy 125 m można uzyskać poprzez umieszczenie światłowodu na czas dwóch tygodni pod ciśnieniem 125 atmosfer i temperaturze 20 °C [40]. Na rysunku 5.2 przedstawiono rozkład dyfuzji do rdzenia światłowodu o średnicy 125 m w funkcji czasu wodorowania. Z rozkładu wynika, że wysoki poziom koncentracji wodoru w obszarze rdzenia włókna uzyskujemy po 300 godzinach procesu wodorowania. Zwiększenie ciśnienia bądź temperatury może przyspieszyć ten proces. Dyfuzja cząstek wodoru do wnętrza światłowodu jest odwracalna. Umieszczenie światłowodu w atmosferze w temperaturze około 20 °C skutkuje spadkiem fotoczułości do zera w takim samym czasie, w jakim nastąpiła dyfuzja do wewnątrz włókna (około 300 godzin). Rozwiązaniem jest umieszczanie światłowodów wodorowanych w niskiej temperaturze. Na rysunku 5.3 przedstawiono wykres dyfuzji wodoru ze światłowodu dla różnych temperatur przechowywania włókna. 24.

(25) Rys. 5.2. Rozkład dyfuzji wodoru do rdzenia światłowodu o srednicy 125 m pod ciśnieniem 125 atm i w temperaturze 20 °C [40]. Z rozkładu przedstawionego na rysunku 5.3 wynika, że przechowywanie włókna w temperaturze poniżej -30 °C zapewnia zachowanie efektu fotoczułości przez co najmniej 40 dni.. Rys. 5.3. Rozkład dyfuzji wodoru ze światłowodu o średnicy 125 m w dla różnych temparatur [41]. Wodorowanie włókien umożliwia zapis struktur Bragga w każdym rodzaju światłowodu, którego jedną z domieszek rdzenia jest tlenek germanu. Na 25.

(26) rysunku 5.4 przedstawiono wykres zależności głębokości współczynnika załamania siatek Bragga uzyskany dla włókien telekomunikacyjnych SMF-28 bez i z procesem wodorowania w funkcji gęstości energii promieniowania UV w procesie zapisu.. Rys. 5.4. Zależność głębokości modulacji współczynnika załamania dla włókna telekomunikacyjnego wodorowanego i nie wodorowanego [42]. Z wykresu 5.4 wynika, że zapis siatki Bragga we włóknie telekomunikacyjnym bez przygotowania substratu w procesie wodorowania wymaga dostarczenia energii o dwa rzędy wyższej niż w przypadku włókna niewodorowanego.. Rys 5.5. Zależność głębokości modulacji współczynnika załamania dla włókna fotoczułego GF1 wodorowanego i niewodorowanego [43]. 26.

(27) W przypadku światłowodów fotouczulonych na etapie produkcji preformy, wodorowanie również zwiększa fotoczułość. Widoczna na rysunku 5.5 zależność modulacji współczynnika załamania uzyskana we włóknach Nufern GF1 jest tego potwierdzeniem. Dla porównywalnej energii impulsów laserowych w procesie zapisu dla włókna poddanego procesowi wodorowania uzyskano około piętnastokrotnie wyższą wartość głębokości modulacji współczynnika załamania [43].. 5.2. Metody wytwarzania światłowodowych struktur periodycznych Pierwsza światłowodowa siatka Bragga została zapisana pod koniec lat siedemdziesiątych [44]. Wykorzystując zjawisko fotoczułości wytworzono strukturę o długości 1 m we włóknie domieszkowanym germanem. Na rysunku 5.6 został przedstawiony schemat użytego układu do zapisu i pomiaru widma siatki.. Rys. 5.6. Schemat układu pomiarowego do zapisu pierwszej siatki Bragga [44]. Stosując wiązkę światła o długości 488nm z lasera argonowego wprowadzoną do rdzenia światłowodu uzyskano rezonator Fabry’ego-Perota z lustrami w postaci obciętych końców światłowodu, które na zasadzie reflektancji Fresnela odbijają około 4 % promieniowania. Po uzyskaniu rezonansu została zapisana siatka Bragga, której charakterystyka transmisyjna i odbiciowa została przedstawiona w ramce na rysunku 5.7. Szerokość połówkowa FWHM wynosiła 5 nm. Na rysunku 5.7 widoczna jest również reflektancja zapisanej struktury w funkcji czasu ekspozycji włókna na 27.

(28) promieniowanie laserowe. Podczas eksperymentu zauważono, że ilość domieszki germanu w rdzeniu światłowodu wpływa na szybkość zapisu i reflektancję siatek. Uzyskana głębokość modulacji współczynnika załamania n mieściła się w zakresie 10-6 do 10-5.. Rys. 5.7. Zmiana reflektancji w funkcji czasu zapisu siatki Bragga oraz charakterystyki spektralne siatki Bragga umieszczone w ramkach [44]. Przedstawiona powyżej metoda zapisu wewnętrznego umożliwia wytwarzanie FBG wyłącznie o długości fali Bragga równej długości fali użytego lasera. Rozwój technologii światłowodowych siatek Bragga doprowadził do popularyzacji szeregu metod zapisu zewnętrznego. Umożliwiło to wytworzenie struktur Bragga o wyższej wartości głębokości modulacji współczynnika załamania oraz o długości fali Bragga innej niż długość fali użytego źródła promieniwania. Techniki te wykorzystują metodę maski fazowej lub metodę holograficzną oraz promieniowanie laserowe z zakresu UV-C. 5.2.1. Metoda holograficzna Metoda wykorzystująca technikę holograficzną została po raz pierwszy zaprezentowana w 1989 roku [45]. Zastosowano w niej interferometr w konfiguracji Macha-Zendera. Schemat układu został przedstawiony na rysunku 5.8. Włókno światłowodowe, umieszczone w obszarze interferencji, zostaje oświetlone promieniowaniem o zmieniającej się okresowo amplitudzie, co powoduje wytworzenie periodycznej zmiany współczynnika załamania w rdzeniu światłowodu.. 28.

(29) Rys. 5.8. Schemat układu do zapisu siatek Bragga metodą holograficzną [45]. Zmiana kąta zawartego pomiędzy ramionami interferometru umożliwia zmianę okresu wzoru interferencyjnego zgodnie z zależnością: 𝜆𝐵 =. 𝑛𝑒𝑓𝑓 𝜆𝑈𝑉 𝑛𝑈𝑉 𝑠𝑖𝑛. 𝜃 2. ,. (5.3). gdzie B jest długością fali Bragga, neff jest efektywnym współczynnikiem załamania modu propagującego w rdzeniu światłowodu, nUV jest współczynnikiem załamania szkła dla długości promieniowania ultrafioletowego, UV jest długością promieniowania laserowego,  stanowi kąt zawarty pomiędzy ramionami interferometru. Na rysunku 5.9 przedstawiono widmo transmisyjne i odbiciowe uzyskane przez Meltz i in. [45]. Doświadczenie przeprowadzono z wykorzystaniem lasera argonowego generującego drugą harmoniczną o długości 244nm. Zaznaczony na rysunku 5.8 kąt ustawienia interferometru wynosił 39⁰, efektywny współczynnik załamania modu rdzeniowego dla użytego światłowodu wynosił 1,486. Długość fali Bragga zapisanej struktury wyniosła 576,15 nm. Okres zmiany współczynnika załamania w strukturze siatki w tej metodzie zależy od długości promieniowania UV oraz, co istotne, geometrii układu. Regulując kąt zawarty pomiędzy wiązkami promieniowania interferometru możliwe jest wytworzenie struktury FBG o dowolnym okresie z zakresu światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. 29.

(30) Rys. 5.9. Charakterystyki widmowe siatki Bragga wytworzonej metodą interferometryczną [45]. Metoda holograficzna posiada kilka wad. Należy do nich konieczność zastosowania płytek kompensacyjnych w celu wyrównania różnicy dróg optycznych w ramionach interferometru w przypadku korzystania ze źródeł światła o niskiej koherencji. Metoda ta jest również przeznaczona do wytwarzania siatek dla krótkiego czasu ekspozycji światłowodu, najkorzystniej za pomocą pojedynczego impulsu laserowego. Przestrzenna konfiguracja interferometru, w którym elementy optyczne ustawione są względem siebie w pewnych odległościach powoduje, że w układzie następuje dryft prążków interferencyjnych. Spowodowany jest on głównie drganiami mechanicznymi oraz ruchem powietrza o obszarze interferometru. 5.2.2. Metoda maski fazowej Technologia wytwarzania światłowodowych siatek Bragga oparta na zastosowaniu maski fazowej jest w chwili obecnej najbardziej popularną metodą [46,47,48]. Wykorzystuje ona element dyfrakcyjny w postaci płytki kwarcowej ze strukturą równoległych szczelin o precyzyjnie określonym okresie oraz głębokości. Płytki wytwarzane są metodą fotolitografii [49] lub metodą holograficzną [50]. Metoda zapisu FBG z użyciem maski fazowej została wprowadzona w 1993 roku [51]. Na rysunku 5.10 przedstawiony został wykres spektralny widma odbiciowego pierwszej opublikowanej siatki Bragga wytworzonej tą metodą. W doświadczeniu wykorzystano laser ekscymerowy KrF oraz jednorodną maskę dyfrakcyjną o długości 1 mm i okresie 1060 nm. Uzyskana reflektancja struktury Bragga wynosiła 16 procent. 30.

(31) Rys. 5.10. Spektrum odbiciowe pierwszej opublikowanej siatki Bragga wytworzonej metodą maski fazowej [51]. Popularność tej metody wytwarzania FBG wynika głównie z zastosowania jednego elementu optycznego odpowiedzialnego za powstanie interferencji promieniowania ultrafioletowego. Element ten zastępuje rozbudowany układ interferometru dwuwiązkowego. Dodatkowo odległość pomiędzy maską fazową i światłowodem jest niewielka i zazwyczaj nie przekracza grubości włókna światłowodowego. Cechy te znacząco wpływają na stabilność mechaniczną aparatury. Na rysunku 5.11 przedstawiono schemat działania układu do zapisu struktur Bragga metodą maski dyfrakcyjnej. Jest na nim widoczna równoległa wiązka padająca na powierzchnię maski, promienie ugięte za maską, oraz powstający po nałożeniu się promieni ugiętych obszar interferencji przestrzennej, w którym następuje zapis struktury periodycznej. W praktyce możliwe jest użycie maski fazowej w dwóch konfiguracjach pracy. W pierwszym, gdy promieniowanie laserowe pada na element dyfrakcyjny wzdłuż normalnej do jej powierzchni, w drugim pada pod kątem innym niż prostopadły. Na rysunku 5.12 przedstawiono schematy masek fazowych z zaznaczonymi promieniami świetlnymi dla dwóch kątów padania równoległej wiązki promieniowania ultrafioletowego.. 31.

(32) wiązka UV. pm. maska fazowa SiO2 światłowód.  fotoczuły rdzeń swiatłowodu. promień +1 rzędu. promień -1 rzędu. obszar interferencji przestrzennej. Rys. 5.11. Schemat układu do zapisu siatek Bragga metodą maski fazowej. W obydwu metodach oświetlania konieczna jest optymalizacja parametrów układu z maską fazową w celu maksymalizowani skuteczności zapisu. Maski przeznaczone do zapisu jedną metodą nie mogą być z reguły stosowane w drugiej metodzie. i pm. pm. SiO2. SiO2. m /  / m (a). m. m=0. m. (b). m. m /. t m=0. Rys. 5.12. Schemat biegu promieni w układzie maski fazowej dla normalnego kąta padania (a) oraz dla kąta dowolnego (b). W przypadku oświetlenia maski fazowej promieniowaniem pod kątem innym niż prostopadły (rys. 5.12a), interferencja następuje pomiędzy promieniem ugięcia pierwszego rzędu, a promieniem zerowego rzędu, czyli promieniem przechodzącym. Spełnione jest wtedy następujące równanie: 32.

(33) 𝑚𝜆𝑈𝑉 , 𝑚 ⁄2)−𝑠𝑖𝑛 𝜃𝑖. 𝛬𝑝𝑚 = 𝑠𝑖𝑛(𝜃. (5.4). gdzie pm jest okresem maski fazowej, UV jest długością fali iluminacji, m/2 stanowi kąt ugięcia promienia, i jest równy kątowi padania promienia na maskę fazową. Jeśli spełniona jest nierówność: 𝛬𝑝𝑚 < 𝜆𝑈𝑉 < 2𝛬𝑝𝑚 ,. (5.5). w układzie występuje propagacja wyłącznie promieni zerowego i minus pierwszego rzędu ugięcia. Zmiana kąta padania powoduje zmianę okresu wzoru interferencyjnego i okresu zapisanej struktury Bragga. W charakterystycznym przypadku, gdy: 𝜃𝑚 ⁄2 = 𝜃𝑖 ,. (5.6). okres wzoru interferencyjnego oraz zapisanej struktury Bragga równy jest okresowi maski fazowej. Maksymalny kontrast wzoru interferencyjnego możliwy jest do uzyskania w przypadku równej intensywności promieni biorących udział w interferencji. W celu wyrównania intensywności dla promieni 0/-1 rzędu, stosuje się selektywne napylanie grzebienia maski warstwami metalicznymi, tak by wpływać na transmisję promienia załamanego lub przechodzącego [51]. Stosowane jest również zwiększenie głębokości szczelin maski [28]. Metoda wykorzystująca interferencję promieni 0/-1 jest bardziej skomplikowana w porównaniu z wykorzystaniem interferencji promieni +1/-1 rzędu, w związku z tym, w technologii wytwarzania światłowodowych siatek Bragga jest rzadziej wykorzystywana. W przypadku oświetlenia maski promieniem normalnym (rys. 5.12b) interferencja zachodzi pomiędzy promieniami -1/+1 rzędu. Okres zapisanej siatki Bragga  określony zależnością: 𝜆. 𝑈𝑉 𝛬 = 2 𝑠𝑖𝑛(𝜃 = ⁄2) 𝑚. 𝛬𝑝𝑚 2. ,. (5.7). jest równy połowie okresu maski dyfrakcyjnej. W interferencji -1/+1 rzędu dyfrakcji istotną rolę odgrywa propagacja promienia zerowego rzędu ugięcia (przechodzącego). Promieniowanie to powoduje powstanie wzoru interferencyjnego o niepożądanym okresie poprzez interferencję z promieniami pierwszego rzędu, co w efekcie obniża skuteczność 33.

(34) zapisu siatki Bragga. W praktyce to niepożądane promieniowanie musi być minimalizowane np. przez wytworzenie filtru interferencyjnego w strukturze maski fazowej. W tym przypadku głębokość szczelin maski powinna być tak dobrana, by spełniać równanie: 4𝛱(𝑛𝑆𝑖𝑂2 −1)𝑑 𝜆𝑈𝑉. = 𝜋,. (5.8). gdzie: nSiO2 jest współczynnikiem załamania substratu maski dla długości promieniowania laserowego, UV jest długością fali lasera, d jest głębokością szczeliny. Uzyskane przesunięcie fazowe dla promieniowania UV pomiędzy promieniami zerowego rzędu ugięcia przechodzącymi przez powierzchnię maski, a promieniami propagującymi poprzez szczeliny, powinno wynieść radianów. Stosując tą technikę osiąga się tłumienie energii dla promienia zerowego na poziomie około 5% promieniowania całkowitego oraz 35% energii dla promienia 1 rzędu [52]. Metoda ta jest skuteczna dla pojedynczej długości fali iluminacji, w związku z tym pojedyncza maska fazowa może być zastosowana jedynie do zapisu siatek Bragga o jednym okresie. Dalsza redukcja propagacji światła dla promienia zerowego rzędu możliwa jest poprzez zastosowanie masek fazowych o wysokim kontraście wykorzystujących materiały o różnych współczynnikach załamania [53]. Na rysunku 5.13 przedstawiono schemat maski dyfrakcyjnej o wysokim kontraście współczynnika załamania. n1. substrat SiO2. n2. d. n0 n2>n1. a. pm. (1-a)pm. Rys. 5.13. Schemat maski fazowej o wysokim kontraście współczynnika załamania. Optymalizacja struktury maski fazowej polega na naniesieniu na powierzchnię maski filmu o wysokim współczynniku załamania światła oraz wyznaczeniu wartości szerokości szczelin, odległości pomiędzy szczelinami, ich głębokości oraz kształtu struktury szczelin, tak by uzyskać minimum propagacji promienia zerowego rzędu oraz brak propagacji promieni ±2 rzędu w zakresie iluminacji promieniowaniem UV. W ostatnim czasie zostały opublikowane prace teoretyczne wykorzystujące do optymalizacji struktury masek fazowych metodę analizy modalnej MA 34.

(35) (ang.:Modal Analysis) [54] i ścisłą metodę fal sprzężonych RCWA (ang.:Rigorous Coupled Wave Analysis) [55]. Pozwalają one na optymalizację masek fazowych o niskim kontraście. Teoretycznie wyznaczona wartość energii promienia zerowego wynosi mniej niż 1% energii całkowitej przy braku propagacji promieni +2/-2 rzędu. Wykorzystując specjalne maski fazowe, możliwe jest wytwarzanie apodyzowanych siatek Bragga. Struktura maski fazowej jest wtedy niejednorodna i posiada obszary o zmieniającej się sprawności dyfrakcyjnej. substrat SiO2. d. Rys. 5.14. Schemat maski fazowej o zmieniającej się sprawności dyfrakcyjnej. Na rysunku 5.14 przedstawiony został schemat maski dyfrakcyjnej o ciągłej zmianie stopnia fazowego d. Rozwiązanie to powoduje zmianę kontrastu wzoru interferencyjnego za maską, co z kolei skutkuje zmianą głębokości modulacji współczynnika załamania wzdłuż siatki Bragga. W praktyce ze względu na możliwości technologiczne wytwarzane są maski o skończonej liczbie stopni fazowych [56]. Na rysunku 5.15 przedstawiono przykładowe rozkłady pola interferencyjnego za maską fazową, oświetloną falą płaską oraz wykresy przedstawiające przekroje tych rozkładów w osi równoległej do powierzchni maski fazowej. Są to wyniki obliczeń numerycznych dla trzech różnych stopni fazowych powodujących przesunięcie promieni ugiętych o , /2 i /8 radianów po przejściu promieniowania przez maskę fazową [57]. Na rysunku 5.15 widoczna jest zmiana kontrastu obrazów interferencyjnych. Z punktu widzenia zapisu FBG istotny jest rozkład promieniowania w osi równoległej do osi włókna światłowodowego (oś X). Na rysunku zostały przedstawione profile uśrednionego (na długości równej średnicy rdzenia światłowodu) rozkładu promieniowania w osi X. Ponieważ poszczególne sekcje włókna światłowodowego, w procesie zapisu, znajdują się w obszarach o różnym rozkładzie pola interferencyjnego, przekłada się to na zmianę głębokości modulacji współczynnika załamania w wytwarzanej strukturze Bragga [58].. 35.

(36) z x Rys. 5.15. Rozkłady pola interferencyjnego za maską fazową oraz profil uśrednionej jasności pola w osi X [57]. W metodzie zapisu wykorzystującej maskę fazową istotną rolę może odgrywać położenie włókna światłowodowego względem maski dyfrakcyjnej. Jest to związane z występowaniem efektu Talbota. Polega on na występowaniu periodycznych zmian natężenia pola interferencyjnego w osi równoległej do propagacji promieniowania za maską fazową. Okres zmian nazywany odległością Talbota, bądź samoobrazowania, określony jest zależnością:. 36.

(37) 𝑍𝑇 = 𝑣𝑛0. 2𝛬2𝑝𝑚 𝜆𝑈𝑉. ,. (5.9). gdzie v jest liczbą naturalną, n0 jest współczynnikiem załamania próżni. Dla typowych warunków wytwarzania siatek Bragga przeznaczonych do pracy w trzecim oknie transmisyjnym odległość Talbota wynosi około 13,5 m. Na rysunku 5.16 przedstawiony został schemat maski fazowej oraz pole interferencyjne z zaznaczoną odległością Talbota ZT.. pm. SiO2. ZT. z x 2. Rys. 5.16. Ilustracja efektu Talbota we wzorze interferencyjnym. Z punktu widzenia zapisu FBG możemy rozważyć dwa przypadki. W pierwszym przesunięcie fazowe za maską wynosi  radianów, w drugim zawiera się w przedziale (0,) radianów. Przedstawiony na rysunku 5.16 obraz interferencyjny odpowiada rozkładowi dla przesunięcia fazowego w zakresie (0;) radianów. Na rysunku 5.17 przedstawiono obliczone rozkłady pola interferencyjnego dla przesunięcia fazowego maski równego  i /2 radianów.. (a). (b). Rys. 5.17. Rozkłady pola interferencyjnego za maską fazowa dla przesunięcia fazowego  (a) oraz /2 (b) [59]. 37.

(38) Dla rozkładu o przesunięciu  widocznym na rysunku 5.17d, podstawowy okres zmienności promieniowania w osi Z równy jest 1/8 odległości samoobrazowania i jest kilkukrotnie mniejszy od średnicy typowego jednomodowego światłowodu. W związku z tym wpływ położenia włókna światłowodowego względem obrazu interferencyjnego dla tego okresu jest znikomy. W przypadku przesunięcia fazowego z zakresu (0;), zmniejszanie wartości stopnia fazowego powoduje zanikanie prążków obrazu interferencyjnego i przestaje być zachowana periodyczność o okresie równym połowie okresu maski fazowej. Ponieważ periodyczność tych zmian w osi Z jest porównywalna ze średnicą rdzenia światłowodu, położenie włókna względem maski oraz średnica rdzenia światłowodu mają wpływ na proces zapisu struktur Bragga [59]. 5.2.3. Metoda holograficzna z wykorzystaniem maski fazowej Metoda holograficzna zapewnia bardzo szeroki zakres przestrajania długości fali Bragga wytwarzanych struktur periodycznych. Wadami tej metody są jednak rozbudowana struktura interferometru, wrażliwość na zakłócenia mechaniczne oraz znaczący wpływ konfiguracji przestrzennej poszczególnych elementów układu na obraz interferencyjny. Praktyczna realizacja tej metody jest utrudniona zarówno w początkowym etapie konfigurowania układu jak też podczas właściwego procesu zapisu struktur. Z kolei metoda maski fazowej pozbawiona w znacznej mierze wpływu zakłóceń mechanicznych, umożliwia dla pojedynczej maski dyfrakcyjnej zapis siatek Bragga w niewielkim zakresie przestrajania. Połączeniem tych dwóch technik wytwarzania jest metoda holograficzna wykorzystująca maskę fazową [60,61], która schematycznie została przedstawiona na rysunku 5.18. Maska fazowa pełni w tej metodzie rolę dielektrycznej płytki światłodzielącej. Promieniowanie laserowe pada na maskę pod kątem normalnym. Promienie ±1-go rzędu ugięcia propagują wewnątrz interferometru i po odbiciu od zwierciadeł tworzą obszar interferencji przestrzennej, w którym umieszony zostaje światłowód. Układ umożliwia obrót luster odbijających promienie wychodzące z maski fazowej, co bezpośrednio wpływa na kąt , pod którym krzyżują się wiązki interferometru. Dla ustawienia układu, przy którym lustra położone są równolegle do normalnej padania promieniowania na maskę fazową, przy zastosowaniu maski o określonym okresie i przeznaczonej do pracy ze źródłem światła o określonej długości fali, uzyskujemy zapis FBG o określonej długości fali Bragga B. Wartość ta wynika z kąta ugięcia promieniowania za maską i jest tożsama z wartością uzyskaną z wykorzystaniem metody maski fazowej. 38.

(39) pm. maska fazowa. m. m. lustro. światłowód.  Rys. 5.18. Schemat interferometru dwuwiązkowego z maską dyfrakcyjną. Układ w tej konfiguracji znajduje się w pozycji odniesienia. Obrót luster powoduje zmianę kąta , przy czym spełniona zostaje zależność: 𝛥𝜆 𝜆𝐵. =−. 𝛥𝜃 𝜃 𝑐𝑡𝑔 2 , 2. (5.10). gdzie /2 jest kątem padania wiązki na powierzchnię światłowodu, B jest długoscią fali Bragga uzykaną dla pozycji odniesienia. Zmiana kąta utawienia zwierciadeł interferometru umozliwia więc przesuniecie długosci fali Bragga o [62]. Na rysunku 5.19 przedstawione zostały wykresy spektralne siatek Bragga wytworzonych z wykorzystaniem omawianej metody. Odległość pomiędzy pikami transmisyjnymi skrajnych struktur Bragga wynosi 225 nm. W powiększonych fragmentach widoczny jest wykres dla struktury FBG wytworzonej w pozycji odniesienia, tj. dla zerowego kąta obrotu zwierciadeł oraz wykres dla struktur wytworzonych przy odtworzonych ustawieniach układu optycznego (możliwość sprawdzenia powtarzalności). Różnica przesunięcia centralnej długości fali odbicia wynosi w tym przypadku 1 nm. Przedstawione wyniki uzyskano dla zmiany kąta ustawienia zwierciadeł 39.

(40) wynoszącego 1,6°. Obliczony zakres przesunięcia centralnej długości fali Bragga dla zmiany kąta o 5° wynosi 800 nm.. Rys. 5.19. Wykres widmowy struktur Bragga wytworzonych metodą interferometryczną z wykorzystaniem maski fazowej. W ramce widoczna powiększona część widma dla pozycji odniesienia oraz wykres dwóch siatek Bragga dla odtworzonych ustawień interferometru [62]. Metoda holograficzna z maską fazową umożliwia również wyeliminowanie niekorzystnego wpływu propagacji promienia zerowego rzędu przez element dyfrakcyjny.. pm. maska fazowa m. m. lustro. światłowód. m0. . Rys. 5.20. Schemat układu interferometru umożliwiające eliminację wpływu propagacji promieniowania przechodzącego przez maskę fazową. 40.

(41) Na rysunku 5.20 przedstawiono schemat układu, w którym obszar interferencji przestrzennej został przesunięty poza obszar działania promieniowania pochodzącego od promienia zerowego rzędu. W metodzie tej można stosować zarówno maski proste jak i apodyzowane czy chirpowe [62,63]. Możliwy jest również zapis struktur FBG we włóknach fotonicznych [64]. Umożliwia ona także zapis siatek chirpowych z wykorzystaniem masek prostych poprzez zmianę geometrii układu interferometru [65]. 5.2.4. Metoda punkt po punkcie Metoda zapisu punkt po punkcie (ang.: point by point) polega na wytwarzaniu siatek Bragga w wielu etapach. W każdym pojedynczym kroku tej metody następuje zapis jednego okresu struktury Bragga [66]. Na rysunku 5.21 przedstawiono schemat układu do zapisu tą metodą. Wiązka UV. Zwierciadło. Obiektyw Światłowód. Stolik mikrometryczny Rys. 5.21. Schemat układu do zapisu siatek Bragga metodą point by point. Układ formowania wiązki promieniowania UV składa się z obiektywu mikroskopowego, którego zadaniem jest skupienie równoległej wiązki promieniowania wewnątrz rdzenia światłowodu. Iluminacja powoduje wytworzenie pojedynczej zmiany współczynnika załamania. W kolejnym etapie następuje przesunięcie światłowodu o długość okresu struktury periodycznej i zapis kolejnego prążka. Jest to możliwie dzięki umieszczeniu włókna optycznego w układzie mikromanipulacji, który pozwala na precyzyjne przesunięcie włókna wzdłuż jego osi. Dla struktur Bragga z zakresu trzeciego okna transmisyjnego, okres siatki wynosi około 0,5 m, co powoduje trudności zarówno w przypadku dokładnego przesunięcia światłowodu w kolejnych etapach procesu wytwarzania FBG, jak również w wytwarzaniu struktur o znacznej długości [28]. Dlatego siatki wytwarzane metodą point by point są 41.

(42) często strukturami drugiego lub trzeciego rzędu, w których okres modulacji współczynnika załamania jest krotnością okresu podstawowego wynikającego z zależności (4.2). Na rysunku 5.22 przedstawiono wykres spektralny pierwszej opublikowanej struktury Bragga wytworzonej za pomocą omawianej metody.. Rys. 5.22. Wykres spektralny siatki Bragga wytworzonej metodą point by point [67]. W doświadczeniu wykorzystano laser ekscymerowy KrF. Ze względu na dokładność przesunięcia włókna w procesie zapisu, wytworzono strukturę o okresie 1,59 m (siatka trzeciego rzędu), 225 okresach, oraz długości 360 m. Reflektancja struktury wyniosła 70%. W ostatnich latach ważnym kierunkiem rozwoju metody point by point stało się użycie źródeł światła o femtosekundowych długościach impulsów z zakresu krótkiej podczerni [68,69]. Technika ta może być wykorzystywana do zapisu siatek Bragga we włóknach fotonicznych [70]. Struktury powstające z wykorzystaniem ultra krótkich impulsów laserowych charakteryzują się powstawaniem w rdzeniu światłowodu lokalnych zmian współczynnika załamania. Uważa się, że zmiany te wywołane są przez zjawisko nieliniowej fotojonizacji powstającej w ognisku obiektywu, gdzie skupiona wiązka charakteryzuje się dużą gęstością energii. Zjawisko to jest w małym stopniu zależne od defektów w szkle krzemionkowym domieszkowanym tlenkiem germanu, w związku z tym zmiany te charakteryzuje wyższa odporność termiczna sięgająca 1000 °C [71]. W połączeniu z wykorzystaniem dokładnych układów mikromanipulacji wykorzystujących napędy piezoelektryczne wykonywane są zaawansowane struktury, z których przykładowa została przedstawiona na rysunku 5.23. 42.

(43) Rys. 5.23. Zdjęcie struktury Bragga (wykonanej techniką mikroskopii interferencyjnej) wytworzonej metodą punkt po punkcie z użyciem lasera femtosekundowego [72]. Na zdjęciu mikroskopowym (rys. 5.23) wykonanym techniką mikroskopii interferencyjnej z kontrastem różniczkowo-fazowym, widoczny jest rdzeń światłowodu oraz prążki struktury Bragga widziane, jako lokalne punkty o podwyższonym, w stosunku do rdzenia, współczynniku załamania. Zaletą metody punkt po punkcie jest możliwość wytwarzania struktur Bragga o dowolnym okresie, chirpie i profilu apodyzacji. Jest to niewątpliwie najbardziej uniwersalna z metod, jednak ze względu na ograniczenia związane z dokładnością posuwu włókna światłowodowego oraz czasem zapisu jest ona stosowana relatywnie rzadko.. 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 niewodorowanych [73].. 43.

(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]. 44.

(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.. Rys. 5.26. Wykres głębokości współczynnika załamania FBG dla siatek I i II typu [74]. 45.

(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.. Rys. 5.27. Model profilu współczynnika załamania siatki IA typu [81]. 46.