FİBER BRAGG IZGARA TABANLI OPTİK SENSÖRÜN ANALİZİ

Transkript

1 FİER RAGG IZGARA TAANLI OPTİK SENSÖRÜN ANALİZİ Lale KARAMAN 1 N. Özlem ÜNVERDİ Elektroik ve Haberleşme Mühedisliği ölümü Elektrik-Elektroik Fakültesi Yıldız Tekik Üiversitesi, 34349, eşiktaş, İstabul 1 e-posta: lale_karama@yahoo.com e-posta: uverdi@yildiz.edu.tr Aahtar sözcükler : Optik haberleşme, optik sesör, fiber ragg ızgara, ragg dalgaboyu ÖZET Güümüzde optik fiber haberleşme sistemleri, tekolojii aa yapısıı oluşturmaktadır. Optik fiber haberleşme tekolojisideki hızlı ve belirgi gelişme, elektroik alada kullaıla sesör sistemlerii yaygılaşmasıa ede olmuştur. Güümüzde üretile birçok sesör çeşidi bulumaktadır. u çalışmada, optik fiber sesör çeşitleri arasıda yer ala fiber ragg ızgara tabalı sesörler aaliz edilmiştir. Izgaraları karakteristik özelliklerii oluştura dalgaboyu, yasıma ve iletim spektrumu bad geişliği gibi özellikleri icelemiştir. Çalışmada, yasıya ve iletile güç miktarlarıı, ızgara periyodua, ızgara uzuluğua ve kırılma idisi değerlerie bağlı olarak değişimi irdelemiş, sıcaklık ve gerilmeye bağlı olarak, yasıya dalgaboyuda meydaa gele değişim miktarları belirlemiştir. 1. GİRİŞ Elektroik sistemleri çoğuda sesörler öemli bir yere sahiptir. Optik fiber haberleşme tekolojisideki gelişmeler, optik fiber sesörlere ola ilgiyi artırmıştır. Çeşitli fiziksel ve kimyasal olayları optik fiber sesör içide geçe ışığı şiddetie, iç yasımasıa ve polarizasyo durumua etki etmesi, bu olaylara etkili ola büyüklükleri ölçülmesie imka sağlar. Optik fiber sesörleri edüstride birçok uygulama alaı vardır. Otomotiv, makia araçları, havacılık, jeofizik, petro-kimya ve askeri uygulamaları bilie e öemli uygulama alalarıdır. Dalgaboyuda meydaa gele değişimleri iceleyerek algılama yapa fiber ragg ızgara tabalı sesörleri e büyük avatajı, algılaa parametrei etkilerii, dalgaboyua etkisii heme görülmesidir. Dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarları iceleerek sıcaklık ve gerilme algılamaları yapılmaktadır. Çalışmada, sıcaklık ve gerilmeye bağlı olarak, yasıya dalgaboyuda meydaa gele değişimlere duyarlı fiber ragg ızgara tabalı sesörler icelemiştir. Çalışmaı. ölümü de, fiber ragg ızgaraları karakteristik özellikleri açıklamıştır. 3. ölüm de, fiber ragg ızgara tabalı sesörleri, sıcaklık ve gerilme duyarlılığı aaliz edilerek 4. ölüm de, elde edile souçlar değerledirilmiştir.. FİER RAGG IZGARALAR Optik fiber, yoğu ultraviyole ışığa maruz kaldığı zama kırılma idisi değişime uğramaktadır. Kırılma idiside meydaa gele bu değişim, dalgaboyu, yoğuluk ve uygulaa ışığı miktarıa bağlıdır. Geellikle bu değişimi sağlamak içi, 48 m ve 193 m dalgaboyuda ultraviyole ışık vere ve içide çok gelişmiş bir bilgisayar bulua lazerler (excimer) kullaılmaktadır [1, ]. Germayum katkılı, tek modlu fiberdeki kırılma idisi değişimi 10 5 ile 10 aralığıda yer alır. ir fiber ragg ızgarada kırılma idisii değişimide dolayı yayıla modları birbirie etkisi, zıt yöde ilerleye modlar arasıda meydaa gelir. Kırılma idiside meydaa gele değişimde dolayı, optik fiberi çekirdek bölgeside ızgara oluşumu meydaa gelir. ragg şartı olarak bilie belirli şartlar altıda, ızgarayı oluştura saçaklarda yasıya ışık birbirie ekleir ve büyük bir yasıma meydaa gelir. Izgara saçak aralığı (Λ) ızgara periyodu olarak isimledirilir. Üiform ızgaralar içi periyot, ızgara boyuca sabit kalırke, cıvıltılı ızgaralarda değişir. Kırılma idiside meydaa gele değişim miktarı, üiform ızgaralarda ızgara uzuluğu boyuca sabit kalırke, apodize ızgaralarda farklılık gösterir. ragg ızgaralarda, ızgara periyodu 1 µm de küçüktür. Yasıma moduda çalışa fiber ragg ızgaralar, fiber girişie uygulaa ışığı bir kısmıı ızgara saçaklarıda geri yasıtarak çalışırlar. u yasıtıcılık ragg dalgaboyuda ( λ ) e yüksek değerie ulaşır. Yasıya ışık spektrumu çok dar ve ragg dalgaboyuda merkezlemiş durumdadır. ragg şartı,

2 λ Λ (1) şeklide ifade edilir [1, ]. urada, λ, ragg dalgaboyu (ızgarada geri yasıyacak ışığı merkez dalgaboyu),, merkez dalgaboyuda çekirdek bölgesii etki kırılma idisi ve Λ, ızgara periyoduu temsil eder..1 KUPLE MOD TEORİSİ Fiber ızgara karakteristikleri, birçok yötemle modelleerek alaşılabilir. Kuple Mod Teorisi, bu yötemler arasıda e çok kullaılaıdır. Karmaşık olmaması ve ilgileile pek çok fiber ızgaraı optik özelliklerii hassas olarak modellemesi edeiyle bu çalışmada Kuple Mod Teorisi göz öüe alımıştır. Kuple Mod Teorisi kullaıla aalitik yötemlerde, fiber ragg ızgaraı ileri ve geri yöde hareket ede ve gelikleri optik eksee bağlı olarak değişe modlar arasıda, karşılıklı etkileşimi olduğu varsayılır. Izgara periyodu ve kırılma idis değişimi periyodik olarak değiştiği zama dalgaboyuu bir foksiyou ola yasıtıcılık içi aalitik bir çözüm elde edilir. Solu uzuluklu üiform ızgaraları, yasıma özelliklerii taımlamak içi zamada bağımsız kuple mod eşitlikleri kullaılır. S (z) ızgara boyuca ilerleye ala, S (z) ızgara boyuca yasıya ala olmak üzere, kuple mod eşitlikleri: ds dz ds dz [ S ( z) Ω S ( z) ] i δ () [ S ( z) Ω S ( z) ] i δ (3) formudadır. urada, Ω, ileri ve geri yödeki propagasyo modları arasıdaki kuplaj katsayısıdır. Kuplaj katsayısı, π Δη Ω Λ (4) olarak taımlaır [1]. urada, η, modal örtüşme faktörüü gösterir ve bu değer, yaklaşık olarak 1 e eşittir. urada δ, bozulmayı ifade eder ve δ c π ( ω ω ) λ π π Λ 1 1 λ λ (5) şeklide gösterilir [3]. urada ω, ragg dalgaboyudaki açısal frekas, π c ω (6) Λ dır. ragg ızgaraı uzuluğuu L kadar olduğu düşüülürse, S ( L ) 0 sıır koşulu altıda, () ve (3) eşitliklerii çözümüe göre, gele ala ve yasıya ala ifadeleri, ( ( L z) ) i δ sih( ( L z) ) S ( z) cosh (7) S ( ( L z) ) ( z) iω sih (8) olarak elde edilir. urada, dir. Ω δ (9) Izgarada yasıya güç miktarı, sih ( L) ( L) δ sih ( L) Ω R Γ (10) cosh ve iletile güç miktarı ise, T τ (11) cosh olarak buluur [4]. ( L) δ sih ( L) Izgarada yasıyabilecek maksimum güç, δ 0 şartı sağladığı zama elde edilir. u durumda, ( ) R max tah ΩL (1) olur [5]. Dalgaboyu 1550 m ile 1559 m aralığıda, ızgara uzuluğu L 10 mm, ızgara periyodu Λ µm, ızgaraı efektif kırılma idisi 1.466, kırılma idiside meydaa gele değişim miktarı Δ olarak alıdığı durum içi, ızgarada yasıya güç miktarıı dalgaboyua göre değişimi, Şekil-1 de, ızgaraı ilettiği güç miktarıı dalgaboyua göre değişimi ise Şekil- de görülmektedir [6]. Yasıya güç miktarıı ragg dalgaboyuda e yüksek seviyeye ulaştığı, iletile güç miktarıı ise ragg dalgaboyuda e düşük seviyede kaldığı gözlemektedir. Daha öce belirtile ızgara koşulları geçerli durumdayke, ızgara uzuluğuu değişik değerleri

3 Şekil-1 : Fiber ragg ızgarada yasıya güç miktarıı dalgaboyua göre değişimi. alıdığı durumda, kırılma idiside meydaa gele değişim miktarıı farklı değerleri içi, ızgarada yasıya güç miktarı Şekil-4 de görülmektedir. ua göre, kırılma idiside meydaa gele değişim miktarı arttıkça, yasıya güç miktarıı arttığı ve iletile güç miktarlarıı ise azaldığı görülmektedir. Ayrıca şekilde görüldüğü gibi, kırılma idiside meydaa gele değişim miktarı arttıkça bad geişliğide artış gözlemektedir. uu yaı sıra, kırılma idiside meydaa gele değişim miktarıı artmasıyla yasıma spektrumuu ya loblarıda taşıa güç miktarıı da arttığı görülmektedir. Kuplaj katsayısı ola Ω değeri, Δ ile doğru oratılı olarak değişir; bua göre, kuplaj katsayısı arttıkça yasıya güç miktarı artmaktadır. Şekil- : Fiber ragg ızgarada iletile güç miktarıı dalgaboyua göre değişimi. içi ızgarada yasıya güç miktarı değişimi Şekil- 3 de yer almaktadır. ua göre, ızgara uzuluğu arttığıda yasıya güç miktarıı da arttığı görülmekte ve kırılma idiside meydaa gele değişim miktarı sabit tutulduğu durumda daha büyük uzuluklu fiber ızgaralar kullaılarak yüksek yasıtıcılık değerleri elde edilebilmektedir. Acak ızgara uzuluğuu artması daha yüksek maliyetli sesör yapımıı gerektirmektedir. Şekil-4 : Değişik Δ değerleri içi fiber ragg ızgarada yasıya güç miktarlarıı dalgaboyua göre değişimi. Dalgaboyuu 1550 m, ızgara uzuluğuu 1.5 mm ile 10 mm aralığıda olduğu ve kırılma idiside meydaa gele değişim miktarıı değişik değerler aldığı durumda ızgara uzuluğua bağlı olarak değişe maksimum yasıtıcılık eğrisi Şekil-5 de yer almaktadır. urada, yasıtılırlığı e yüksek değere ulaştığı oktaya, kırılma idisi değişimii yüksek değerleri içi, çok daha kısa ızgaralarla erişilebileceği soucua varılabilir. u durum, efektif olarak kullaılabilecek ızgara uzuluğuu buluabilmesi kousuda kullaışlı bir yötem oluşturmaktadır. Şekil-3 : Değişik ızgara uzulukları içi fiber ragg ızgarada yasıya güç miktarlarıı dalgaboyua göre değişimi. Dalgaboyu 1550 m ile 1560 m aralığıda, ızgara uzuluğu L 10 mm, ızgara periyodu Λ µm, ızgaraı efektif kırılma idisi olarak Şekil-5 : Maksimum yasıtıcılığı ızgara uzuluğua bağlı olarak değişimi.

4 3. FİER RAGG IZGARA TAANLI SENSÖRLER Fiber ragg ızgara tabalı sesörler, dalgaboyuda meydaa gele değişimleri iceleyerek algılama yapa elemalardır ve e büyük avatajları, algılaa parametrei etkilerii, dalgaboyua etkisii heme görülmesidir. Dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarları dikkate alıarak sıcaklık ve gerilme algılamaları yapılmaktadır. Fiber ragg ızgaralara, sıcaklık veya gerilme gibi bir kuvvet uyguladığıda ızgaraı periyoduda ve kırılma idiside değişiklik meydaa gelir ve bu durum ragg dalgaboyuda kayma olmasıa ede olur [7]. 3.1 FİER RAGG IZGARA TAANLI SENSÖRLERİN SICAKLIK DUYARLILIĞI Fiber ragg ızgaralar, sıcaklığa karşı duyarlılık göstere elemalardır. Sıcaklıkta meydaa gele değişim, ragg dalgaboyuda değişim olmasıa yol açar. Dalgaboyuda meydaa gele kayma, termal geleşme ve büzülmede dolayı ızgara periyoduu ve fiberi kırılma idisii sıcaklıkla değişime uğramasıda kayaklaır. Sıcaklık değişimiyle dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarı, Δλ λ ( ) ΔT Λ. olarak taımlaır. urada, (13) 1 dλ Λ (14) Λ dt şeklide taımlaa terim, boyua termal uzama katsayısıı ifade eder. Cam fiberler içi, termal uzama katsayısı, 0, Λ C değerii alır. Ayı eşitlikte, 1 d (15) dt şeklide taımlaa terim ise, kırılma idisii sıcaklıkla değişim miktarıı dalgaboyua etkisii ifade eder ve termo-optik katsayı olarak kullaılır. Cam fiberler içi, termo-optik katsayısı 8, C 1 değerii alır [1, 8]. Sıcaklıkta meydaa gele 1 C o lik değişime bağlı olarak değişik dalgaboylarıda meydaa gele kayma miktarıı yer aldığı Şekil-6 da görüldüğü gibi, 1550 m dalgaboyuda, m lik kayma meydaa gelmektedir. ua karşı çok yüksek sıcaklıklar fiber kaplamaya zarar verir ve fiber ragg ızgaraları yasıtıcılığıı azaltabilir ve yasıtıcılık özelliğii tamame yok edebilir. Şekil-6 : 1C o sıcaklık değişimi olduğu durumda oluşa kayma miktarı. Termal uzama katsayısı ve termo-optik katsayı belirtile değerleri aldığı durumda, sıcaklıkta meydaa gele 100 C o lik değişim miktarı içi, yasıya güç spektrumuda meydaa gele değişim miktarıı görüldüğü Şekil-7 de mavi ile gösterile eğri, ragg dalgaboyuu λ 1554 m olarak alıdığı referas yasıma spektrumuu, kırmızı ile gösterile eğri ise sıcaklık değişimi sorasıda dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarıa bağlı olarak değişe yasıma spektrumuu göstermektedir. Sıcaklıkta meydaa gele 100 C o lik değişim soucuda, yasıya güç spektrumuu e yüksek değere ulaştığı dalgaboyu, referas dalgaboyuda 1.4 m uzakta yer almaktadır. 1.4 m Şekil-7 : Sıcaklıkta meydaa gele değişime bağlı yasıya güç spektrumu. 3. FİER RAGG IZGARA TAANLI SENSÖRLERİN GERİLME DUYARLILIĞI Fiber ragg ızgaralar, sıcaklığa olduğu gibi gerilmeye karşı da duyarlılık göstere elemalardır. Gerilme ile meydaa gele değişim, ragg dalgaboyuda değişim olmasıa yol açar. Her madde belirli bir elastisite özelliğie sahiptir. Izgaraya bir gerilme kuvveti uyguladığıda, maddei sahip olduğu fotoelastik

5 katsayı değişime uğrar ve dalgaboyuda kayma meydaa gelir. Gerilme değişimiyle dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarı, yasıya güç spektrumuu e yüksek değere ulaştığı dalgaboyu, referas dalgaboyuda 1. m uzakta yer almaktadır. Δλ λ ( 1 P ) G e z (16) olarak taımlaır. urada, G z, ızgaraya uygulaa gerilme miktarıı gösterir. P e ise fotoelastik katsayısıı ifade eder ve e 1 11 ( p m ( p p )) P 1 (17) dir. urada p ij,olarak gösterile terimler, stres-optik tesörü Pockel katsayılarıı, m olarak gösterile terim ise, Poisso oraıı ifade eder. Germayum katkılı cam fiber içi, p 11 0, 113, p 1 0, 5, m 0,16 ve 1, 48 değerlerii alır. u durumda fotoelastik katsayı değeri Pe 0, 1olarak buluur [1, 7, 8]. Şekil-8 de, gerilme kuvvetide meydaa gele 1 birimlik gerilme değişimie bağlı olarak değişik dalgaboylarıda meydaa gele kayma miktarı yer almaktadır. Şekilde görüldüğü gibi, 1550 m dalgaboyuda, yaklaşık olarak 1.5 µm lik kayma meydaa gelmektedir. 1. m Şekil-9 : Gerilmede meydaa gele değişime bağlı yasıya güç spektrumu. 4. SONUÇ Fiber ragg ızgaraları temelii, optik fiber dalga kılavuzuu çekirdek bölgesideki kırılma idisii, fiber uzuluğu boyuca belirli periyotlarla değişimi oluşturmaktadır. ragg dalgaboyu, ızgara periyodu ve kırılma idis değişimie bağlı olarak değişiklik gösterir. Sıcaklık ve ızgaraya uygulaa gerilme kuvvetii değişimi ızgara periyoduda ve kırılma idiside farklılaşmaya yol açar. u edele dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarlarıa bağlı olarak sesör uygulamaları yapılmaktadır. Yapıla çalışmada, gerilme kuvvetii dalgaboyua etkisii, sıcaklık değişimii dalgaboyua etkiside daha kuvvetli olduğu görülmüştür. u çalışmada yapıla aalizde, fiber ragg ızgaraları, yasıttıkları güç miktarlarıı, değişik ızgara uzulukları ve kırılma idisleride meydaa gele değişimlere göre farklılık gösterdiği görülmüştür. ua göre, ızgara uzuluğuu ve kırılma idisi değişimii arta değerleri içi yasıya güç miktarıı arttığı gözlemiştir. Şekil-8 : 1 birim gerilme kuvveti değişimi olduğu durumda oluşa kayma miktarı. Fotoelastik katsayı belirtile değeri aldığı durumda, gerilme kuvvetide meydaa gele 0.01 birimlik değişim miktarı içi, yasıya güç spektrumuda meydaa gele değişim miktarı Şekil-9 da görülmektedir. Şekil-9 da mavi ile gösterile eğri, ragg dalgaboyuu λ 1554 m olarak alıdığı referas yasıma spektrumuu, kırmızı ile gösterile eğri ise, gerilme değişimi sorasıda dalgaboyuda meydaa gele kayma miktarıa bağlı olarak değişe yasıma spektrumuu göstermektedir. Gerilmede meydaa gele 0.01 birimlik değişim soucuda, Çalışmada, kırılma idisi değişimii yüksek değerleri içi, çok daha kısa ızgaralarla, yasıtılırlığı e yüksek değere ulaştığı oktaya erişilebileceği belirlemiştir. KAYNAKÇA [1] Hill, K. O. ve Meltz, G., (1997), Fiber ragg Gratig Techology Fudametals ad Overview, J. Lightwave Techology, 15(8): [] Kashyap, R., (1999), Fiber ragg Gratigs, Academic Press, Sa Diego.

6 [3] Phig, H., Ali, J., Rahma, R. ve Tahir,. (007), Fiber ragg Gratig Modelig, Simulatio ad Characteristics with Differet Gratig Legths, Joural of Fudametal Scieces, [4] Keshk M., Ashry A. ad Aly, H., (007), Aalysis of Differet Fiber ragg Gratigs for Use i a Multi-wavelegth Erbium Doped Fiber Laser, Natioal Radio Sciece Coferece (NRSC), 13-15March 007, Egypt. [5] Zhag. ad Kahrizi M., (005), Characteristics of Fiber ragg Gratig Temperature Sesor at Elevated Temperatures, Iteratioal Coferece o MEMS, NANO ad Smart Systems. [6] Karama L., Fiber ragg Izgara Tabalı Optik Sesörleri Aalizi, Yüksek Lisas Tezi, Yıldız Tekik Üitersitesi, İstabul, 009. [7] Kersey A., Davis M., Patrick H., Lelac, M. ad Koo, K., (1997), Fiber Gratig Sesors, J. Lightwave Techology, 15(8): [8] Mohammad N., Szyszkowski W., Zhag W., Haddad E., Zou J., Jamroz W. ad Kruzelecky, R., (004), Aalysis ad Developmet of a Tuable Fiber ragg Gratig Filter ased o Axial Tesio/Compressio, J. Lightwave Techology, (3):