Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona6/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   53

Parametry projektowe światłowodów kapilarnych

SK fotoniczne i refrakcyjne różnią się od siebie podstawowymi właściwościami i charakteryzują się innymi ograniczeniami technologicznymi. Nieco odmiennie przebiegają dla tych dwóch rodzajów światłowodów procesy projektowe. Projektowanie światłowodu kapilarnego może przykładowo obejmować, na ogół zasadniczo różne od siebie, następujące zagadnienia: utrzymanie właściwości klasycznej kapilary chemicznej przy jednoczesnym dodaniu bardzo ściśle określonych właściwości optycznych lub odwrotnie dodanie pewnej funkcji chemicznej lub fizykochemicznej do SK spełniającego funkcję optyczną, dostosowanie SK do rozróżniającego (dyskryminacyjnego) pomiaru wielkości mechanicznych i termicznych, dostosowanie SK do pomiaru innych wielkości, SK wypełniony ciekłym kryształem, maksymalizacja mocy optycznej przenoszonej w modzie podstawowym, maksymalnie efektywna konwersja jednomodowej ciemnej wiązki światła w wiązkę gaussowską lub odwrotnie, kompensacja lub korekcja dyspersji chromatycznej, budowa elementu z fotoniczną przerwą zabronioną, budowa elementu ze zjawiskami plazmonicznymi na wewnętrznej powierzchni kapilary pokrytej cienką warstwą metalu szlachetnego, budowa lasera włóknowego na SK, obniżenie poziomu nieliniowych transmisyjnych zjawisk optycznych, budowa laboratorium chemicznego w kapilarze lub układu typu MOEMS, transmisja fali deBroglie, ko-transmisja wiązki materii i energii, i inne.

Każde z tych zastosowań wymaga zupełnie odmiennego SK: wysoko- lub niskorefrakcyjnego, o profilu gradientowym lub skokowym, o profilu prostym lub wielowarstwowym, wielo- lub jednomodowego, z makro- lub mikrokapilarą, z pojedynczą kapilarą lub wielokrotną, z gładką powierzchnią wewnętrzną kapilary lub z filtrem modów powierzchniowych, pokrycia wewnętrznej powierzchni kapilary substancjami o wysokiej adhezji samoorganizującymi się w nanoskali o charakterze immobilizatora lub katalizatora, SK z zawieszonym lub pierścieniowym rdzeniem, itp.



Geometria SK jest kształtowana całkowicie, niezależnie od metody jego wytwarzania, podczas wysokotemperaturowej części wyciągania włókna szklanego w obszarze tzw. menisku wypływowego. Jest jednak także determinowana przez wyjściowe wymiary preformy światłowodowej lub wymiary wypływowych dyszy tyglowych. Proces formowania geometrii wyciąganego włókna ze szkła o znacznej lepkości w obszarze menisku jest opisany przez równania Naviera-Stokesa. Rozwiązanie tych równań, adaptowanych dla przypadku SK, oraz dyskusję tych rozwiązań, w postaci tzw. pól prędkości, przedstawiono w rozdziale dotyczącym wytwarzania włókien. Rozwiązania równań N-S, dla obszaru menisku wypływowego, stanowią część zagadnienia projektowania SK.
a) b)
c) d)

Rys.1. Podstawowe rodzaje jednomodowych światłowodów kapilarnych (SK), a) refrakcyjny SK (SKR), o pierścieniowym profilu refrakcyjnym, b) SKR z depresją refrakcyjną (SKD), c) fotoniczny SK (SKF), o porowatym płaszczu optycznym (SKFP) z kryształu fotonicznego, d) SKF o Braggowskim płaszczu optycznym (SKFB). Bazowe (najprostsze) rozwiązanie SKR, przedstawione na rys.1.a. będzie nazywane w pracy w skrócie jako SK.


Refrakcja SK (tutaj zakładamy refrakcję izotropową) jest determinowana przez szkła składowe i w przypadku braku dyfuzji jonowej jest ustalana dodatkowo przez geometrię włókna. W przypadku dostatecznie silnej dyfuzji podczas wysokotemperaturowej części procesu wyciągania włókna szklanego, refrakcja jest określona przez parametry procesu technologicznego jak: temperatura, czas dyfuzji oraz przez parametry materiałowe takie jak zmiana lepkości szkła w funkcji temperatury i ruchliwość dyfundujących jonów. Proces jest opisany przez równania dyfuzji wyrażone w geometrii cylindrycznej. W czasie wyciągania SK, parametry procesu technologicznego, przy założonym składzie chemicznym szkieł, mają wpływ na refrakcję SK. Rozwiązania równań dyfuzji, dla obszaru menisku wypływowego, stanowią cześć zagadnienia projektowania SK.

Struktura modowa SK jest determinowana całkowicie przez oba powyższe czynniki, tj. geometryczny i refrakcyjny, oraz przez źródło światła pobudzające włókno. Strukturę modową SK otrzymuje się po rozwiązaniu równania własnego wyprowadzonego z równań Maxwella, poprzez równanie Helmholtza, lub równania analogiczne, oraz z warunków brzegowych. Rozwiązanie równania własnego (charakterystycznego), dla określonej struktury geometrycznej i refrakcyjnej SK, stanowi część zagadnienia projektowania SK.

Podsumowując, zagadnienia projektowania SK, a także niektórych innych rodzajów światłowodów, wymagają rozwiązania następujących problemów: kształtowania rozkładu refrakcji w przekroju poprzecznym włókna, kształtowania proporcji wymiarowych poszczególnych obszarów w przekroju poprzecznym włókna, w tym w SK obszaru pustego, oraz uzyskiwania w konsekwencji w takim włóknie odpowiedniej struktury modowej fali optycznej. Każdy z tych trzech obszarów projektowania światłowodu, oprócz pewnych atrybutów globalnych takich jak to, że wyższa refrakcja i większy wymiar rdzenia, a także większy rozmiar otworu oraz mniejsza długość fali optycznej, zwiększa liczbę propagowanych modów, ale posiada również wiele cech szczegółowych. Wśród tych cech szczegółowych są np.: wielkość charakterystycznego wymiaru obszarów różnej refrakcji włókna, periodyczne lub aperiodyczne zaburzenia refrakcji i geometrii oraz stabilność układu wyciągania i energia procesu wyciągania światłowodu.

Wymiary obszarów refrakcyjnych w światłowodzie mogą być większe, porównywalne lub znacznie mniejsze od długości fali optycznej, co ma istotny wpływ na propagację modową. Wzajemny układ obszarów refrakcyjnych i ich ewentualna periodyczność, także istotnie wpływa na propagację modową. Stabilność układu wyciągania światłowodu decyduje o jakości włókna. Na przykład wydzielenie zbyt wysokiej energii zgromadzonej w menisku wypływowym skutkuje zniekształceniem poprzecznym lub niestabilnością wzdłużną powierzchni tworzonego światłowodu i to zarówno zewnętrznej, jak i wewnętrznej. Energia zgromadzona w menisku związana jest z jego temperaturą oraz szybkością przepływu szkła. Szybszy wypływ szkła powoduje studzenie menisku. Miarą zgromadzonej energii jest kształt menisku. Optymalny kształt menisku daje stabilne wymiarowo włókno optyczne. Kształt menisku i jego ewolucja w czasie jest jednym z rozwiązań równań N-S.

Zagadnienie projektowania SK nie jest trywialne. Powodem jest znaczna dynamika procesu technologicznego, a więc trudność przełożenia projektu włókna optycznego na finalny produkt. Kształtowanie refrakcji i geometrii, oprócz aspektu teoretycznego, jest zagadnieniem technologicznym i odbywa się w relatywnie krótkim czasie, rzędu milisekund, przepływu szkła przez gorący menisk wypływowy. Kształtowanie struktury modowej jest konsekwencją pierwszych dwóch czynników: refrakcyjnego i geometrycznego, i niniejszy rozdział jest poświęcony temu problemowi. O właściwościach modowych włókna optycznego decydują jego rzeczywiste parametry fizyczne uzyskane w procesie technologicznym.



1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna