6. DALGABOYU AYARLANABİLİR GENİŞBAND EDFRL TASARIMLARININ
6.2. Halka Tipi EDFL ile FBG Tabanlı Sıcaklık Sensörünün Sorgulanması
Fiber optik sistemler günümüzde, haberleşme amaçlı kullanıldığı kadar sensör teknolojilerinde de önemli bir uygulama alanına sahiptir. Fiber optik sensörler hızlı tepki verme, yüksek duyarlılık, elektriksel izolasyon, uzaktan algılamada düşük sinyal kaybı, küçük ebatlı olma gibi avantajları nedeniyle klasik sensörlere göre ön plana çıkmaktadırlar. Optik haberleşmenin temel elemanlarından olan ve dalga boyunda meydana gelen değişimleri inceleyerek algılama yapan Fiber Bragg Izgara (FBG) tabanlı sensörler, fiber optik sensörlere verilebilecek en yaygın örnektir (Kersey vd., 1997).
Optik fiberlerin öz bölgesi kırılma indisinin n1 ve kılıf bölgesi kırılma indisinin n2 olduğu durumda, kırılma indisleri arasında n1 > n2 ilişkisi mevcuttur. Yeterince güçlü bir mor ötesi (UV) lazer ışıması ikiye bölünerek aynalar vasıtasıyla bir girişim deseni oluşturacak şekilde germanyum (Ge) katkılı fiber üzerine düşürüldüğünde, öz kırılma indisinde bir periyodik değişim
meydana gelmektedir. Öz kırılma indisindeki bu periyodik değişimler, maskeleme tekniği ile belirli aralıklarla (<1μm) gerçekleştirilerek fiber Bragg ızgara (FBG) yapısı elde edilir. Bu aralık (Λ) ızgara periyodu olarak isimlendirilir. Bir fiber Bragg ızgaranın genel yapısı Şekil 6.2’de görülmektedir (Durak, 2017).
Şekil 6.2. Fiber Bragg ızgaranın genel yapısı.
Bragg şartı olarak bilinen belirli şartlar altında, gelen ışığın (PG) bir kısmı ızgarayı oluşturan saçakların her birinden yansıyarak birbirine eklenir (PY). Yansıyan ışığın gücü ızgara periyoduna bağlı olarak belirli bir dalgaboyunda en yüksek değerine ulaşır. Bu dalgaboyuna Bragg dalgaboyu (λB) denir ve Denklem (6.1)’deki gibi hesaplanabilir.
2
Bn
eff
=
(6.1)Eşitlikte
BBragg ızgara merkez dalgaboyunu,n
eff merkez dalga boyunda öz bölgesinin etkin kırılma indisini ve
ise ızgara periyodunu temsil etmektedir. Fiberin yapısını oluşturan silikanın mekanik gerilmelere ve sıcaklığa verdiği tepki gereği bu etkiler altında ızgara periyodunun artıp azalacağı açıktır. Izgara periyodundaki değişimle doğru orantılı olarak fiber Bragg ızgara merkez dalgaboyu da değişim gösterecektir. Bu özelliği de FBG’leri doğal birer sıcaklık ya da gerilme sensörü kılmaktadır (Kahraman, 2009). FBG’lerin haberleşmenin yanı sıra sensör uygulamalarında da efektif olarak kullanılabileceği yakın geçmişte birçok araştırmacı tarafından çalışmalarında gösterilmiştir (Cooper vd., 2001; Dai vd., 2009; Fajkus vd., 2015).Tez çalışmasının bu kısmında, fiber optik sensör elemanı olarak kullanılan FBG’lerin sorgulanmasında dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL’nin kullanımı deneysel olarak incelenecek ve performansı analiz edilecektir. Çalışmada merkez dalga boyu (λB) 1533.3 nm, yansıtma oranı (R) >%95 ve bant genişliği <0.3 nm olan FBG kullanılmıştır. FBG’nin sıcaklığa verdiği tepkiyi gözlemlemek için Şekil 6.3.(a)’daki deneysel düzenek kurulmuştur. Bir optik kaynakta üretilen
sinyal, sıcaklık ve nem kontrollü kabin (NÜVE TK120) içerisinde bulunan FBG’ye uygulanmış, FBG’den yansıyan optik sinyal ise OSA aracılığıyla gözlemlenmiştir.
Şekil 6.3. (a) Genişbant kaynak ile tasarlanan (b) Dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL ile tasarlanan FBG sıcaklık sensörü sorgulayıcısının deneysel düzeneği.
Şekil 6.4. Oda sıcaklığında (20ºC) FBG'den yansıyan sinyalin ASE kaynak ile ölçülen spektrumu.
Deneysel çalışmalarda optik kaynak olarak öncelikle C-EDFA’da üretilen ASE gürültü sinyali kullanılmıştır. Oda sıcaklığında (20ºC) FBG’den yansıyan sinyalin spektrumu Şekil 6.4’te
görülmektedir. FBG’nin yansıma spektrumunun merkez dalgaboyu 1533.3 nm ve 3 dB bantgenişliği 0.1 nm olarak ölçülmüştür.
Deneylerin bir sonraki adımında, sıcaklık ve nem kontrollü kabinin nemi sabit tutulup, sıcaklığı 0ºC – 40ºC aralığında değiştirilerek FBG’den yansıyan sinyalin spektrumu OSA aracılığıyla gözlemlenmiştir.
Şekil 6.5. FBG merkez dalgaboyunun artan sıcaklıkla değişimi (ASE kaynak).
Şekil 6.5’te FBG merkez dalgaboyunun 0ºC’den 40ºC’ye artan sıcaklıkla değişimi görülmektedir. Şekilden de görüleceği üzere FBG merkez dalgaboyu, sıcaklıkla doğrusal olarak artmaktadır. FBG’nin sıcaklığa tepkisi 11pm/ ºC olarak elde edilmiştir.
FBG sıcaklık sensörünün sorgulanması deneylerinde bir sonraki adımda optik kaynak olarak, tasarlanan klasik halka tipi EDFL kullanılmıştır (Şekil 6.3.(b)). FBG’nin yansıma spektrumunu gözlemleyebilmek için, klasik halka tipi EDFL’nin ışıma dalgaboyu, FBG’nin merkez dalgaboyu civarındaki 2 nm’lik bir alanda 0.05 nm’lik aralıklarla değiştirilerek, FBG’nin yansıma spektrumundan örnekler alınmıştır.
Şekil 6.6. FBG'den yansıyan sinyalin, oda sıcaklığında (20ºC), EDFRL kaynak ile ölçülen spektrumu.
Şekil 6.6’da FBG’den yansıyan sinyalin spektrumunu göstermektedir. Şekilde nokta ile gösterilen ölçümler EDFRL optik kaynak ile elde edilen örneklerdir. Çizgi ile gösterilen ölçüm ise genişband ASE kaynak ile elde edilen ölçümü göstermektedir. Şekilden de görüleceği üzere klasik halka tipi EDFL ile alınan ölçümler sayesinde FBG’nin yansıma spektrumu elde edilebilmektedir.
Klasik halka tipi EDFRL ile FBG sıcaklık sensörü sorgulanması deneylerinin bir sonraki adımında, sabit bağıl nem altında, sıcaklık 0ºC – 40ºC aralığında değiştirilerek FBG yansıma spektrumu gözlemlenmiştir. 0ºC, 10ºC, 20ºC, 30ºC ve 40ºC ortam sıcaklıklarında yapılan ölçümlerde, EDFRL’nin ışıma dalgaboyu 0.05 nm aralıklarla değiştirilerek FBG’nin yansıma spektrumundan örnekler elde edilmiştir (Şekil 6.7). Bu ölçüm noktaları birleştirilerek oluşturulan FBG’nin yansıma spektrumunın farklı sıcaklıklar altındaki değişimi incelendiğinde, FBG merkez dalgaboyunun sıcaklıkla doğrusal olarak arttığı görülmektedir. 40ºC sıcaklık altında yapılan ölçümde FBG’nin merkez dalgaboyu 1533.61 nm olarak elde edilirken, ortam sıcaklığı 0ºC iken yapılan ölçümde 1533.19 nm olarak elde edilmiştir. FBG merkez dalgaboyunun sıcaklık ile doğrusal olarak arttığı Şekil 6.8’de görülmektedir. Yapılan ölçümlerde FBG merkez dalgaboyunun sıcaklıkla değişimi 10.5 pm/ºC olarak bulunmuş olup, ASE kaynak ile elde edilen 11 pm/ºC değerine oldukça yakındır. Böylece klasik halka tipi EDFL, optik kaynak olarak kullanıldığında bir önceki ölçümlerle ve literatürle örtüşen sensör tepkileri elde edilmiştir (R. Liu vd., 2013).
Şekil 6.8. FBG merkez dalgaboyunun artan sıcaklıkla değişimi (EDFRL kaynak).
Yapılan FBG sıcaklık sensörü sorgulama ölçümleri göstermektedir ki, dalgaboyu ayarlanabilir genişband EDFRL’ler ile FBG sensörlerinin sıcaklık, gerinim vb. tepkileri başarı ile gözlemlenebilmektedir. Ayrıca EDFL çıkışında, genişband ASE kaynaklara göre daha yüksek güç seviyeleri (>0 dBm) elde edilebilmektedir. Bu sayede uzak mesafelerdeki yarı-dağıtık sensör sistemleri kolaylıkla sorgulanabilecektir. Tüm C+L bandı boyunca tepe güçlerindeki salınımın çok düşük olması sayesinde ise çok sayıda sensör elemanı dalgaboyu ekseninde çoğullanıp, eşdeğer genlik şartları altında EDFRL ile sorgulanabilecektir.