ГлавнаяРешенияКомплекс для записи волоконных брэгговских решеток

Комплекс для записи волоконных брэгговских решеток

Компания «Специальные Системы. Фотоника» предлагает полный набор технологического, измерительного оборудования и инструментов для массового производства волоконных брэгговских решёток (ВБР).
Специалисты нашей компании имеют многолетний опыт в исследовании ВБР, сборке схем и оптимизации параметров записи дифракционных структур в специальных оптических волокнах (ОВ), что отражено в научных публикациях.
Мы всегда рады проконсультировать наших заказчиков и предоставить техническую поддержку. Обращаем Ваше внимание на то, что на базе нашей компании открыт сервисный центр по обслуживанию оборудования, проводятся тренинги и семинары.

ВБР. Метод записи фазовой маской

В настоящее время волоконные брэгговские решётки широко применяются при изготовлении оптоволоконных компонентов, для формирования резонаторов узкополосных лазеров, а также для создания высокочувствительных сенсоров. Они, в свою очередь, входят в современные высокоточные системы, измеряющие такие величины как: температура, влажность, давление, деформация, концентрация химических веществ и т.д.. Системы мониторинга состояния магистральных трубопроводов, измерения температур вдоль нефтяных скважин, разрабатываемые на основе волоконных брэгговских решёток (ВБР), записанных в специальных оптических волокнах, представляют большой интерес, как для отечественных, так и для зарубежных производителей.

Таким образом, основные применения ВБР:
  • чувствительные элементы волоконных измерительных систем;
  • резонаторы узкополосных волоконных лазеров;
  • волоконно-оптические компоненты телекоммуникационных систем: компенсаторы дисперсии, фильтры, DMDM.
В современной литературе описано множество методов записи волоконных решёток Брэгга. Их можно разделить на две группы:
  • внутренние методы записи, продуктом которых являются периодические структуры, известные как «решётки Хилла»;
  • внешние методы записи, продуктом которых являются периодические структуры, оперирующие в диапазоне длин волн, отличающемся от используемого для записи решёток.
Именно вторая группа представляет интерес с точки зрения массового производства ВБР. Внешние методы записи, в свою очередь, могут быть разделены на две категории:
  • голографические методы записи;
  • неинтерферометрические методы записи.
В зависимости от требуемого механизма модуляции показателя преломления, используются различные типы источников записывающего излучения:
непрерывные, импульсные, с различными спектральными характеристиками. Это, в свою очередь, обусловливает выбор метода записи решёток Брэгга.
В качестве простого и относительно дешёвого способа записи ВБР выступает контактный метод, называемый также методом фазовой маски. При одноимпульсной записи ВБР отпадает необходимость в использовании виброизоляции и защиты от влияния воздушных потоков. При использовании фазовой маски с достаточно однородным профилем можно также записывать длинные ВБР и решётки с регулируемым профилем показателя преломления (ПП), транслируя пучок записывающего излучения вдоль фазовой маски и регулируя плотность энергии в нём.

Принципиальная схема записи методом фазовой маски приведена на рисунке ниже.


Printsipialnaya-skhema-zapisi-03.jpg

Принципиальная схема записи ВБР фазовой маской

В ходе анализа современной литературы, можно сделать вывод, что существуют несколько основных механизмов изменения ПП:

-формирование центров окраса (GeE’);
-формирование центров GeH;
-уплотнение материала и изменение внутренних механических напряжений;
-пространственное разделение зарядов, приводящее к увеличению поляризованности вследствие электрооптического эффекта;
Все механизмы в той или иной степени влияют на процесс записи ВБР, причём относительный вклад каждого из них зависит от типа ОВ и метода увеличения фоточувствительности.

В основной своей массе в области телекоммуникаций и создания чувствительных элементов для датчиков применяются германосиликатные, боросиликатные ОВ и УФ-эксимерные лазеры (ArF, KrF). Основная причина использования УФ-излучения - повышенная фоторефрактивность и фоточувствительность ОВ в этом спектральном диапазоне.

Эксимерный лазер.jpg

ArF эксимерный лазер, встроенный в NORIA

Если подвести итог, в большем числе случаев оптимальным решением для массового производства ВБР является:

  • использование метода фазовой маски;
  • использование эксимерного УФ-лазера.
К сожалению, имеется много "подводных камней", с которыми часто сталкиваются при организации производства ВБР. Основной из них заключается в том, что схему сложно собрать и необходимо часто настраивать, калибровать. Это, в свою очередь, ведёт к повышенному требованию к квалификации персонала, дополнительным временным издержкам. Итогом является то, что схемы записи реализованы и функционируют в большинстве своём либо в университетах, либо в крупных компаниях.
Команда шведских специалистов NorthLab Photonics совместно с Ibsen Photonics предложили решение этой проблемы.

Запись ВБР. Станция NORIA

Ниже представлена блок-схема решения, предлагаемого нашими специалистами. В основе решения находится использование станции NORIA. Все остальные приборы и инструменты являются одними из лучших в своём роде.

Блок-схема_3.jpg

Комплекс для записи волоконных брэгговских решёток

Основные этапы записи ВБР

Ниже кратко описан процесс записи ВБР с приведением конкретных используемых устройств (подробное описание характеристик Вы найдёте, пройдя по соответствующим ссылкам):
Оптическое волокно
Выбор оптического волокна определяется, исходя из требований к условиям эксплуатации системы. Защитное покрытие может быть из обычных или высокотемпературных акрилатов, полиимида. Геометрические параметры и числовая апертура также определяются, исходя из применения: например, оптическое волокно с большой числовой апертурой помогает добиться меньших вносимых оптических потерь при намотке на объект с малым диаметром.
Так или иначе, для индуцирования ВБР ультрафиолетовым излучением, ОВ должно обладать достаточной фоточувствительностью. Повышение фоточувствительности осуществляется соответствующим легированием оптического волокна (оксидами германия, бора) или предварительным наводораживанием оптического волокна с стандартным содержанием диоксида германия.

Волокно.jpg

Оптическое волокно с повышенным содержанием диоксида германия Fibercore SM1500(4.2/125)

На рисунке представлена стандартная катушка оптического волокна одного из ведущих производителей ОВ для нефтегазовой отрасли - Fibercore.

Сварка оптического волокна

Подробно процесс сварки оптического волокна на примере специальных оптических волокон с сохранением поляризации приведён в описании решения на нашем сайте.

Для анализа спектральных характеристик ВБР, настройки схемы и контроля процесса записи, лучше всего предварительно производить сварку используемого ОВ с соответствующим пигтейлом: PM или изотропным.

Современные сварочные аппараты позволяют работать в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах. Аппараты по умолчанию поставляются с набором алгоритмов сварки наиболее часто применяемых в мире волокон. В случае, если заказчик использует другие волокна, японская компания FITEL (Furukawa Electric) бесплатно разрабатывает оптимальные алгоритмы для необходимых комбинаций.

Сварочный аппарат FItel S185PM

Мы рекомендует уникальные приборы компании FITEL серии S185. Эти аппараты наиболее компактны, имеют улучшенную оптическую систему и работают от батареи. Всё это позволяет их считать одними из лучших на мировом рынке.

Подготовка торца волокна

Для стыковки волокна необходимо соответственным образом подготовить его торец. Обычно для сварки волокон угол между их осью и нормалью к торцевой поверхности должен составлять не более нескольких десятых градуса. Наиболее быстрым методом является скалывание, наиболее точным - полировка. 

Наибольшую популярность в настоящий момент имеют пружинные скалыватели, производящие насечку при помощи лезвия с алмазным напылением, имеющего форму диска. В некоторых случаях конструкция скалывателя подразумевает перемещение этого лезвия вручную.

Отличным решением является произведение насечки при предварительном натяжении. В своей лаборатории мы используем перестраиваемый программируемый скалыватель компании NorthLab Photonics, так как приходится работать с большим количеством типов волокон. Единственное, что нужно сделать оператору – поместить предварительно зачищенное волокно в устройство и выбрать один из нескольких режимов скалывания. В случае необходимости эти режимы легко перенастраиваются самим работником. Аппарат натянет волокно, подведёт вибрирующее лезвие с алмазным напылением к боковой поверхности и произведёт скалывание.

procleave.jpg

Скалыватель NorthLab Photonics ProCleave SD

На рисунке изображён скалыватель, позволяющий качественно подготавливать торец оптических волокон с диаметром от 80 до 230 мкм, что покрывает основные диаметры работающих в одномодовом режиме волокон на рынке. Программа скола легко настраивается оператором для достижения оптимального качества.

Снятие защитного покрытия

Качественное освобождение оптических волокон от защитного покрытия гарантирует уменьшение количества дефектов на поверхности кварцевой оболочки, и, как следствие, высокую прочность участка волокна, использующегося в технологической операции.

В основном на кварцевую оболочку оптических волокон наносят защитные покрытия одного из следующих типов:

  • Акрилатное
  • Полиимидное
  • Металлическое

Удаление акрилатного покрытия в большинстве случаев осуществляется стандартными инструментами вроде ручных стрипперов.


Ручной стриппер FITEL S211B

Этот тип инструментов подходит для проведения работ, к которым не предъявляются повышенные требования. При стыковке составляющих интерферометрических датчиков, лазеров, при записи ВБР с предварительной зачисткой акрилатного покрытия используются либо термострипперы, либо аппараты, буквально «сдувающие» акрилат потоком горячего воздуха.

                                                                             Стриппер Autostrip II (3SAE).jpg

Перестраиваемый термостриппер High Strength / Adjustable (NorthLab)                                 Стриппер Autostrip II (3SAE)                

В случае, если речь идёт об удалении полиимидного покрытия, можно выделить несколько основных решений: механическое воздействие лезвиями и плавное снятие защитного слоя плазменным полем. Последний метод, с нашей точки зрения, наиболее предпочтителен, так как минимизируется возможность механических повреждений оптического волокна.

PWS.png

Плазменный стриппер полиимидного покрытия PWS (3SAE)

Для удаления металлических покрытий наиболее часто используются кислотные растворы (например, для удаления медного применяется 20-50% раствор азотной кислоты). PM волокна металлом обычно не покрываются. 

После снятия покрытия мы рекомендуем очистить поверхность волокна безворсовой салфеткой, вымоченной в спирте.

Контроль спектральных характеристик и процесса запись ВБР

Для контроля характеристик ВБР, настройке схемы записи, необходимо анализировать спектр отражения решёток. Для этого в волокно вводят излучение широкополосного источника (ИИ), чаще всего ASE.


CLS561.jpg

Широкополосный источник излучения FIBERPRO CLS561

Мы предлагаем широкий выбор источников широкополосного излучения. Из них стоит выделить прибор южнокорейской компании FIBERPRO, отличающийся широким и равномерным спектром: 1528 - 1603 нанометров.

Для анализа спектральных характеристик мы предлагаем зарекомендовавший себя как лучшее сочетание цены, качества и функциональных возможностей прибор американской компании Bristol Instruments.

Анализатор спектра Bristol 771A

Объединение усовершенствованной технологии интерферометра Майкельсона и быстрого Фурье-анализа позволило создать уникальный прибор 771A, объединяющий в себе анализатор спектра высокого разрешения и высокоточный измеритель длин волн. Анализатор позволяет производить измерения со спектральным разрешением до 2 ГГц в динамическом диапазоне более 40 дБ. Эти измерения дают полную информацию об основных параметрах оптического спектра и лазерного излучения.

Таким образом, разрешение и рабочий диапазон длин волн спектроанализатора, а также ширина спектра излучения источника определяют возможности анализа характеристик записываемых ВБР.

Разветвители и изоляторы

Оптическое волокно с приваренным пигтейлом присоединяется к Y-образному волоконному разветвителю. Два его порта с одной стороны соответствуют источнику излучения и спектроанализатору. Для того, чтобы отражение от ВБР и точек соединение коннекторов не влияли на спектр излучения источника, между этим источником и портом располагают изолятор. Оператор может наблюдать не спектр отражения, а спектр пропускания. В этом случае разветвитель не требуется, а к спектроанализатору подключается противоположный ИИ конец волокна.

Изолятор.jpg

Изолятор ISOS-15 AFW Technologies

Несмотря на простоту, качественные пассивные оптоволоконные компоненты являются одной из наиболее важных частей любой правильно функционирующей схемы. Мы представляем зарекомендовавшего себя производителя таких компонентов: AFW Technologies (Австралия).

Запись ВБР

Сердцем решения является станция NORIA, её изображение приведено на общей схеме в центре. Это малогабаритная установка (700 х 1000 х 1500 (мм)), источником излучения выступает эксимерный лазер Coherent. Смесь выбирается в зависимости от желаний заказчика: KrF (243 нм) или ArF (193 нм).

Участок волокно, соединённое с ИИ и спектроанализатором, помещают в специальный держатель, располагая область без защитного покрытия посередине.

Специальный держатель.jpg

Держатель оптического волокна NORIA

Держатель облегчает процесс загрузки волокна и имеет встроенный контроллер натяжения. Фазовая маска определяет период интерференционной картины, соответствующий периоду модуляции показателя преломления. В отличие от схемы на основе интерферометра Тальбота, период интерференционной картины фиксирован. Контролируя с помощью держателя предварительное натяжение, оператор может в определённом спектральном диапазоне изменять центральную длину волны отражения производимой ВБР.
В барабанном механизме NORIA можно расположить до 16 фазовых масок, легко переключаясь между ними. Фазовые маски определяют период интерференционной картины, соответственно период ВБР, его чирпирование.

Схема NORIA.jpg                                      Фазовая маска.jpg

Изображение области записи ВБР (слева) и фотография держателя ФМ (справа)

Система автоматически размещает оптическое волокно относительно фазовой маски и производит запись соответственно настройке оператора. Общее время записи: около 30 секунд. Режим записи: одноимпульсный или многоимпульсный.

Индуцирование.jpg

Запись ВБР

В процессе записи показания спектроанализатора позволяют оператору определить соответствие характеристик записываемой решётки Брэгга необходимым значениям.

Демонстрация установки NORIA

Аподизация ВБР

В спектре отражения волоконных решёток Брэгга присутствуют как  центральный пик отражения, так и боковые лепестки. Наличие дополнительных максимумов отражения зачастую является нежелательным, особенно если речь идёт об использовании массива ВБР в распределённых системах мониторинга.

Для того, чтобы уменьшить высоту боковых максимумов применяется метод аподизации профиля показателя преломления ВБР. Способов достичь подобного эффекта много, но наиболее распространённым является использование специальной апертуры, пространственно ограничивающей пучок записывающего излучения и, как следствие изменяющей распределения плотности энергии вдоль записываемой дифракционной структуры. Этот метод применяется и в Noria.

Аподизация.jpg

Аподизация профиля показателя преломления

Восстановление оптического покрытия

После записи ВБР оператор вынимает волокно с решёткой из установки. Следующая задача - защитить область записи. Волокно без покрытия уязвимо к механическим воздействиям, воде. Обычно покрытие восстанавливают. В зависимости от типа, используют либо специальный аппарат с УФ-отверждаемым акрилатом, либо восстановитель полиимидного покрытия. Мы рекомендуем лучшие на рынке устройства для выполнения этой задачи.

northlab_procoater_r1.jpg

Восстановитель акрилатного покрытия ProCoater

Восстановитель акрилатного покрытия от компании NorthLab Photonics ProCoater является надёжным и наиболее компактным на рынке, что обусловливает его популярность.

Измерение характеристик массивов ВБР

При выполнении многих задач необходимо измерять такие параметры ВБР как вносимые потери, поляризационные преобразования. В случае, если необходимо проанализировать массив ВБР с идентичными центральными длинами волн отражения или малогабаритную оптоволоконную схему с большим количеством элементов, необходимо использовать OBR рефлектометр высокого разрешения. Принцип его действия описан в нашей статье. Сканирование в частотном диапазоне с последующим Фурье-преобразованием позволяет выделить событие отражения с пространственным разрешением в 10 мкм и проанализировать его спектральную характеристику.

OBR LUNA 4600 .png                    Пример измерений.png

Оптический рефлектометр обратного рассеяния OBR LUNA 4600 и пример рефлектограммы

LUNA OBR 4600 по праву считается уникальным прибором. На рефлектограмме чётко видны четыре решётки, записанные на отрезке ОВ длинной в полметра. Спектральное разрешение позволяет с лёгкостью получить чёткий спектр каждой из ВБР, в том числе, наблюдая провал, вызванный π-сдвигом, что не могут обеспечить большинство спектроанализаторов на рынке.

Таким образом, мы можем обеспечить Вас решением для записи ВБР "под ключ", произведя предварительную консультацию, подбор оборудования и обучение.

Полный перечень оборудования для выполнения работ по записи ВБР представлен в следующих разделах нашего сайта:

Специалисты нашей компании будут рады предоставить Вам любую дополнительную информацию о продукции и подобрать оптимальный инструмент для Вашей задачи. Для оформления заказа и уточнения условий поставки оборудования свяжитесь с нашими специалистами любым удобным для Вас способом

Возврат к списку


Мой заказ
Мой заказ