ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DOKTORA TEZİ
ÇOK DAMARLI FİBER TABANLI OPTİK ALGILAYlClNlN TASARlMl VE GELİŞTİRİLMESİ
Zinah Abbas A. AL-MASHHADANI
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ANKARA 2019
Her hakkı saklıdır
xii
xii
xii ÖZET
Doktora Tezi
ÇOK DAMARLI FİBER TABANLI OPTİK ALGILAYICININ TASARIMI VE GELİŞTİRİLMESİ
Zinah A. AL-MASHHADANI
Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. İsa NAVRUZ
Optik fiberler bilgi taşıma kapasitesi oldukça yüksek kablolardır. Pek çok türü bulunan optik fiberlerin gelişen üretim teknolojileri sayesinde, standart telekom fiberlerinden farklı çok damarlı fiberler de sunulmuştur. Çok damarlı fiberler, başlangıçta veri iletim uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Çok damarlı fiber türleri geliştikçe, çok sayıda farklı alternatif uygulamada kullanılması söz konusu olmuştur. Bu tür fiberler için en hızlı büyüyen alanlardan biri algılama uygulamasıdır. Hali hazırda, biyomedikalden savunmaya kadar çeşitli endüstrilerde incelenen birçok çok damarlı fiber sensör tasarımı ve cihazı bulunmaktadır. Bu tezde, hendek destekli çok damarlı (TAMCF) konik fiber kullanan bir kırılma indisi sensörü önerilmiş ve deneysel olarak gösterilmiştir.
Sensör yapısı, TAMCF’ nin iki tek modlu fiber (SMF) arasında birleştirilmesi ve orta kısmından inceltilmesiyle elde edilmiştir. SMF-TAMCF-SMF yapısını oluşturan konik sensörü üretmek için elektrik ark boşaltma tekniği kullanılmıştır. Hendek katmanının kırılma indisi duyarlılığı üzerindeki etkisinin yanı sıra konikleştirmenin TAMCF üzerindeki faydasını araştırmak için ışık yayılımı yöntemi kullanılmıştır. Araştırmada, fiberde oluşturulan konikliğin, ışığın merkez ve dış öze kuplajına olanak sağlayarak sensör hassasiyetini arttırdığı keşfedilmiştir. Deneysel çalışmalarda, fiber sensörleri başarıyla üretilmiş ve konsantrasyonu dikkatlice hazırlanan bal/su çözeltisinde test edilmiştir. Geliştirilen sensör ile 35089.28 nm/RIU gibi oldukça yüksek bir duyarlılığa ulaşılmıştır. Bu değer, farklı türdeki çok damarlı fiber sensörleri içinde literatürde sunulan edilen en yüksek değerdir. Bu tezde geliştirilen sensör, sadece kırılma indis duyarlılığı için değil, sıcaklık ve gerilme gibi farklı fiziksel büyüklüklerin duyarlılıkları için yapılacak çalışmalara da ışık tutacaktır.
Haziran 2019, 90 sayfa
Anahtar Kelimeler: Hendek destekli çok damarlı fiber, Optik fiber sensörler, Yüksek kırılma indisi algılama, Konik Fiber
xii ABSTRACT
Ph.D. Thesis
DESIGN AND IMPROVEMENT OF OPTICAL SENSOR BASED ON MULTICORE FIBER
Zinah A. AL-MASHHADANI
Ankara University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electric and Electronics Engineering
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. İsa NAVRUZ
Optical fibers are high capacity information transmission cables. Many types of optical fibers different from standard telecom fiber are available thanks to improved fabrication technologies. Multicore fiber (MCF) is initially developed to be used in data transmission fields. As MCF types advanced, many other alternative applications are established. One of the fastest growing fields for MCF is sensing application. Currently, there are many MCF designs being investigated in various fields from biomedical to defense. In this thesis, a refractive index (RI) sensor using tapered trench-assisted multicore fiber (TAMCF) is proposed and experimentally demonstrated. The sensor was obtained by splicing one segment of TAMCF between two single mode fibers (SMF) and tapering the middle part. Electric arc discharge technique was used to fabricate a tapered sensor forming a tapered SMF-TAMCF-SMF structure. Numerical beam propagation was used to investigate the benefit of tapering on TAMCF also, the effect of trench layer on RI sensitivity. In the study, it was observed that the tapering increase the sensitivity of the sensor by allowing the light to be coupled from center to outer cores. In experimental studies, fiber sensors have been successfully fabricated and carefully tested within prepared honey/water solution. With the developed sensor, a very high sensitivity of 35089.28 nm/RIU was obtained. This is the highest value presented in the literature of multicore fiber sensor with different types. The studies carried out in this thesis will shed light not only on RI sensitivity, but also on different physical sensitivities such as temperature and stress.
June 2019, 90 pages
Key Words: Trench-assisted multicore fiber, Optical fiber sensors, High-refractive index sensing, Tapered Fiber
xii
ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR
Tez çalışmam boyunca desteği ile güven veren, çalışmalarımda bana pozitif bir çalışma sunan, rehberliği ve değerli önerileri için başarıya ulaşmamda en büyük paya sahip olan danışman hocam sayın Doç. Dr. İsa NAVRUZ 'a olan minnettarlığımı ifade etmek isterim. Bana rehberlik etmenin ötesinde, yaşadığım her türlü güçlükler karşısında beni motive etti. Laboratuarında bulunan çeşitli cihaz ve donanımları kullanabilmem hususunda bana her zaman yardımcı oldu ve zamanını esirgemedi.
Tezimin ilerleme raporlarında katkı sunan Prof. Dr. Murat YÜCEL ve Doç. Dr. Fikret ARI ‘ya teşekkürlerimi sunarım. Kendilerinin önerilerinden oldukça faydalandım.
Ayrıca, Doç. Dr. Fikret ARI ‘ya vermiş olduğu teknik destek ve özellikle de konik fiber üretim düzeneğinin kurulumunda sağlamış olduğu çok önemli katkılarından dolayı çok teşekkür ederim.
Yurtdışı Türkler ve Akraba Topluluklar Başkanlığına (YTB) Türkiye’de çalışma imkânı ve fon desteği sağladığı için müteşekkirim. Doktora çalışmam boyunca beni anlayışla karşılayan eşim ile sevgilerini ve desteklerini benden esirgemeyen Irak’ taki çok değerli aileme çok teşekkür ederim.
Zinah Abbas AL-MASHHADANI Ankara, Haziran 2019
xii
İÇİNDEKİLER
TEZ ONAYI
ETİK ... i
ÖZET ... iii
ABSTRACT ... iiiv
ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR ... iv
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ... viii
ŞEKİLLER DİZİNİ ... ix
ÇİZELGELER DİZİNİ ... xiii
1. GİRİŞ ... 1
2. OPTİK FİBER SENSÖRLER ... 8
2.1 Optik Fiber Sensör Teknikleri ... 8
2.1.1 İç optik teknikleri ... 9
2.1.1.1 İnterferometrik sensörler ... 10
2.1.1.2 Genliği azalan dalga sensörleri ... 12
2.1.1.3 Izgara sensörleri ... 14
2.1.1.4 Dağıtılmış fiber sensörleri ... 15
2.1.2 Dış optik sensörler ... 16
2.2 Fiber Optik Sensörlerin Avantajları ... 16
2.3 Konik Optik Fiber ... 19
2.3.1 Konik yapı ve sensör konfigürasyonu ... 19
2.3.2 Elektrik ark boşalması tekniği kullanılarak konik fiber üretimi ... 23
3. ÇOK DAMARLI FİBERLER ... 25
3.1 MCF Stratejileri ... 26
3.1.1 Hendek destekli MCF (TAMCF) ... 26
xii
3.1.2 Delik destekli/delik çeperli MCF ... 28
3.2 MCF' lerin Uygulamaları ... 29
3.2.1 Algılama uygulamaları ... 29
3.2.1.1 Kırılma indisi algılama ... 29
3.2.1.2 Sıcaklık algılama ... 30
3.2.1.3 Bükülme algılama... 31
3.2.2 Diğer uygulamalar ... 32
4. TEORİK ANALİZ ... 34
4.1 Konik Çok Damarlı Fiberin Dalga Kılavuzu Özellikleri ... 34
4.2 Çok Çekirdekli Fiberde Çapraz Karışma... 40
5. METODOLOJİ ... 42
5.1 Sensör Yapısı ve Çalışma Prensipleri ... 42
5.2 Konik TAMCF Üretimi ... 44
5.2.1 Sensörü hazırlama ... 44
5.2.2 Konikleştirme düzeneğinin kurulumu ... 45
5.3 Ölçüm Düzeneğinin Kurulması ... 51
6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA ... 55
6.1 Simülasyon Sonuçları ... 55
6.1.1 Konik SMF–TAMCF–SMF yapı tasarımı ... 55
6.1.2 Hendek katmanının Kİ hassasiyetindeki rolü ... 62
6.1.3 Konik SMF–MCF–SMF yapı tasarımı ... 66
6.2 konik SMF–TAMCF–SMF Sensörünün Deneysel Sonuçları ... 72
7. SONUÇ VE GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR ... 79
KAYNAKLAR ... 81
ÖZGEÇMİŞ ... 89
xii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Simgeler
dp Sızma derinliği θ Normal gelme açısı nöz Fiber öz kırılma indisi nkılıf Fiber kılıf kırılma indisi
λ Dalgaboyu
λB Bragg dalga boyu n öz,eff Etkin öz indisi ΛG Izgara adımı
λLPG Uzun periyodlu ızgara dalga boyu nkılıf,m m. kılıf modunun etkin kırılma indisi W𝑡𝑟 Hendek katmanının kalınlığı
a2 Kaplama yarıçapı
a3 Hendek tabakanın ayarıçapı
a1 Öz yarıçapı
∆1 Öz -kılıfın nispi kırılma indisi
∆2 Kılıf-hendeğin nispi kırılma indisi 𝑛hendek Hendek kırılma indisi
Λ Özün merkezden merkeze kadar olan mesafesi
Yayılma sabiti
L Konik fiber bölümü toplam uzunluk
M Öz sayısı
z Pozisyon
D Birleştirme Matrisi κ Bağlama katsayısı
κpq p. ve q. damarları arasında bağlanma katsayısı k ışığın boşluktaki dalga sayısı
K0 ve K1 0 ve 1 kuvvetlerinin değiştirilmiş Hankel fonksiyonları
V Normalize frekans
U Özde LP01 modunun normalleştirilmiş enine ilerleme sabiti W Kılıfta LP01 modunun normalleştirilmiş enine ilerleme sabiti N Merkez öz etrafındaki öz sayısı
R Dış özler arasında bağlantı katsayısı a0 ve b0 Başlangıç konumlar
IM TAMCF' nin merkezi öz modlarının ışık şiddeti ID TAMCF' nin dış öz modlarının ışık şiddeti
∅ Merkez ve dış öz modu arasındaki faz farkı
∆neff Etkin kırılma indisi farkı
𝒏𝒆𝒇𝒇𝑴 Merkez öz modunun etkin kırılma indisi 𝒏𝒆𝒇𝒇𝑫 Dış öz modunun etkin kırılma indisi
S Duyarlılık
𝜹𝒏 Kİ değişimi
𝒏𝒌 Kİ referans değeri
xii 𝜹𝝀 Spektral dalga boyu kayması
XT Çapraz karışma
B Bükülme yarıçapı
l Fiber uzunluğu
DW Bel çapı
LW Bel uzunluğu
Lt1 Azalan konik geçiş uzunluğu Lt2 Artan konik geçiş uzunluğu dw Etkin öz çapı
Λw Bel bölgesindeki iki öz arasındaki mesafe t Kılıf Kalınlığı
Kısaltmalar
BMT Bağlaşık Mod Teorisi
BPM Işık Yayılımı Yöntemi (Beam Propagation Method)
dB Desibel
DK Fiber Çapı
DKK Dış Kılıf Kalınlığı
EM Elektromanyetik
FBG Fiber Bragg Izgarası (Fiber Bragg Grating) FCF Dört Özlü Fiber (Four Core Fiber)
FSR Serbest Spektral Aralık (Free Spectral Range) Kİ Kırılma İndisi
LMA Büyük Mod Alan (Large Mode Area)
LP Boylamsal Polarizasyon (Longitudinal polarization) LPG Uzun Periyodlu Izgara (Long Period Grating) MCF Çok Damarlı Fiber (Multicore Fiber)
MMF Çok Modlu Fiber (Multimode Fiber) MZI Mach-Zehnder İnterferometresi PMMA Polimetil Metakrilat
PWM Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse width modulation) RIU Birim Kırılma İndisi (Refractive Index Unit)
SCF Yedi Damarlı Fiber (Seven Core Fiber) SMF Tek Modlu Fiber (Single Mode Fiber)
TAMCF Hendek Destekli Çok Damarlı Fiber (Trench Assisted Multicore Fiber) TCF İki Damarlı Fiber (Two Core Fiber)
WDM Dalgaboyu Paylaşımlı Çoklama (Wavelength Division Multiplexing) WGM Fısıldayan Galeri Modu (Whispering Gallery Mode)
xii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1 Temel optik fiber sensörün konfigürasyonu ... 8
Şekil 2.2 Optik fiber sensörlerin genel sınıflandırması ve türleri ... 9
Şekil 2.3 Yayılan ışık dalgasının doğrudan çevresel etkilerle modüle edildiği iç optik fiber sensörler ... 10
Şekil 2.4 Fiber interferometre türlerinin şematik diyagramları (a) Mach–Zehnder, (b) Michelson, (c) Fabry Perot, (d) Sagnac ... 11
Şekil 2.5 Azalan dalga alanı (a) Optik fiberde sönümlü dalga alanı (b) Tam dâhili yansıma tarafından üretilen sönümlü dalga alanı (c) Azalan dalga alanına dayalı optik fiber sensörün çalışma prensibi ... 13
Şekil 2.6 FBG ‘nin çalışma prensibi ... 14
Şekil 2.7 Çevreden geçen ışığın değiştiği dış optik fiber sensörleri ... 16
Şekil 2.8 Konik fiberin şematik diyagramı ... 20
Şekil 2.9 (a) Adyabatik konik ve (b) adyabatik olmayan konik ... 20
Şekil 2.10 Yaygın konik optik fiber konfigürasyon sensörlerinin şematik diyagramı .. 22
Şekil 2.11 Elektrikli ark boşalma üretim tekniğinin şematik bir diyagramı ... 23
Şekil 3.1 (a) Çok damarlı fiberin sınıflandırılması (b) basamak indisli MCF’nin indis profili (Saitoh ve Matsuo, 2013) ... 26
Şekil 3.2 Yedi özlü bir TAMCF ve kırılma indis profilinin kesit görüntüsünün şematik diyagramı ... 27
Şekil 3.3 Yedi özlü MCF'nin kesit görünüşleri (a) Delik destekli yapı ve (b) delik çeperli yapı ... 28
Şekil 3.4 İki komşu özün kırılma indisi profilleri ... 28
Şekil 3.5 (a) SMF–FCF–SMF sensörünün şematik diyagramı ve (b) FCF ‘nin enine kesit görüntüsü ... 29
Şekil 4.1 M damarlı MCF yapısı ... 35
Şekil 4.2 Tüm damarların ilişkili olduğu ve farklı yayılım sabitine sahip M adet tek–modlu özden oluşan birleşik sistem ... 36
Şekil 4.3 Merkezi bir damar etrafında simetrik olarak tasarlanmış M–damarlı bağlaşık yapı ... 38
xii
Şekil 4.4 MCF'de bir özden komşu bir diğer öze optik gücün kublajı ... 40
Şekil 5.1 (a) TAMCF demeti (b) TAMCF kesiti ... 42
Şekil 5.2 Konikleştirilmiş SMF-TAMCF-SMF sensörün şematik görüntüsü ... 43
Şekil 5.3 Konik SMF-TAMCF-SMF tümleşik fiber hazırlık aşamaları ... 45
Şekil 5.4 Elektrik ark deşarj tekniği kullanarak konik fiber üretim düzeneği ... 46
Şekil 5.5 Konik fiber sensörü üretim düzeneğinin şematik diyagramı ... 48
Şekil 5.6 Üretilen konik TAMCF sensörünün hava ortamında iletim gücünün spektral değişimi ... 49
Şekil 5.7 Fiber sensörün bir kesitinin mikroskop görüntüleri, (a) konik geçiş bölgesi (b) bel bölgesi ... 50
Şekil 5.8 Kİ algılaması için kurulan deney düzeneğinin şematik diyagramı ... 51
Şekil 5.9 (a) Ayarlanabilir hacim mikropipet seti. (b) WYA Abbe refraktometresi... 52
Şekil 6.1 (a) TAMCF ‘nin kesit görünümü. (b) Konik SMF–TAMCF–SMF sensörünün fiber ekseni boyunca kesit görünüşü ... 56
Şekil 6.2 SMF–TAMCF–SMF içinde optik alan dağılımı (a) düz fiber (b) konik fiber ... 58
Şekil 6.3 Konik SMF–TAMCF–SMF’ nin farklı Kİ değerleri için sensör cevabı, DW=25 µm ve LW=10 mm, (a), (c), (e) ve (g) iletim spektrumunu, (b), (d), (f), ve (h) duyarlılık cevabını göstermektedir ... 60
Şekil 6.4 Konik SMF–TAMCF–SMF’ nin sensör cevabı, DW=25 µm ve LW=15 mm, (a) iletim spektrumu, (b) duyarlılık cevabı ... 61
Şekil 6.5 Farklı bel uzunlukları için Konik SMF–TAMCF–SMF’ nin duyarlılık cevabı, Dw=25 µm ve Lw=5, 10 ve 15 mm ... 62
Şekil 6.6 Tasarlanan MCF'nin enine kesiti (hendek ve iç kılıf katmanları dahil edilmemiştir) ... 63
Şekil 6.7 Tasarlanan SMF-MCF-SMF ‘nin duyarlılık cevabı, Dw =25 µm ve Lw=10 mm ... 64
Şekil 6.8 Konikleştirilmiş TAMCF' de kılavuzlanmış fiber modlarının şematik gösterimi ... 65
Şekil 6.9 (a) MCF'nin kesit görünüşü. (b) SMF–konik MCF–SMF sensörünün şematik diyagramı ... 67
xii
Şekil 6.10 Konik SMF–MCF–SMF sensörünün fiber ekseni boyunca elektrik alan genlik dağılımı ... 68 Şekil 6.11 Konik SMF–MCF–SMF 'nin farklı Kİ değerleri için sensör cevabı,
Dw=20 µm ve Lw=20 mm. ... 69 Şekil 6.12 Farklı Kİ aralıklarında SMF-MCF-SMF sensörün duyarlılık cevabı, İndis
değişimleri (a) 1.345–1.375 (b) 1.4454–1.4458 (c) 1.4455–1.44558 ... 70 Şekil 6.13 Konik SMF–MCF–SMF'nin iletim spektrumu, Kİ = 1.4455 a) Değişen
bel uzunlukları: 1, 2 ve 3 cm, bel çapı: 20 µm. b) Değişen bel çapı: 20, 30 ve 40 µm, bel uzunluğu: 2 cm ... 71 Şekil 6.14 Standart MCF ile Hendek katmanlı MCF’ nin kullanıldığı sensörlerin
duyarlılık karşılaştırması ... 72 Şekil 6.15 Farklı Kİ aralıklarında Sensör–1 için gerçekleştirilen deneysel ölçüm
sonuçları, Dw = 25 µm ve Lw = 10 mm. ... 74 Şekil 6.16 Farklı Kİ aralıklarında Sensör–2 için gerçekleştirilen deneysel ölçüm
sonuçları, Dw = 25 µm ve Lw = 15 mm. ... 76 Şekil 6.17 Sensör–1 ve Sensör–2 ile tekrarlanan üç farklı ölçüm sonucu
Kİ: 1.443-1.4442... 78
xii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 1.1 Rapor Edilen Kİ sensörlerinin performans karşılaştırması. ... 4 Çizelge 5.1 TAMCF türünün açıklaması (MCF–007_2) ... 43 Çizelge 5.2 X ve Y gruplarının çözeltileri ve bu çözeltilerden üretilen solüsyonların
Kİ aralıkları ... 54
1 1. GİRİŞ
Kırılma indisi (Kİ), bir ortamın uygulanan bir elektromanyetik (EM) alana (tipik olarak optik bir dalga) doğrusal tepkisini tanımlayan bir malzeme özelliğidir. Hava boşluğundaki ışığın faz hızının ortamdaki faz hızına oranıdır. Bir ortamın kırılma indisi malzemeye, sıcaklığa, basınca veya gerilmeye bağlı olarak değişir. Kırılma indisindeki bir değişiklik, ortam özelliklerden birindeki ya da bir kaçındaki değişiklikten kaynaklanabilir. Bu nedenle, ortam koşullarının sabit tutulması koşuluyla kırılma indisindeki değişimin ölçülmesi, bu özelliklerden birindeki bir değişimi hesaplayabilir.
Kırılma indisini ölçen cihaz Kİ sensörü olarak adlandırılmaktadır.
Kİ sensörleri, son on yıldan fazla bir süredir araştırmacıların büyük ilgisini çekmiştir. Kİ sensörleri kimyasal ve biyolojik analiz, tıbbi ve biyomedikal amaçlar, endüstriyel ve gıda işleme, güvenlik ve numune tespiti gibi alanlarda geniş bir uygulama alanı bulmaktadır (Ascorbe vd., 2017; Correia vd., 2018; Pevec ve Donlagic, 2014). Yüksek performanslı ölçümler gerektiren pekçok alanda Kİ ölçümü temel ölçümlerden biridir. Bu nedenle Kİ sensörleri yüksek hassasiyetli sensörlerin geliştirilmesinde en önemli tekniklerden biri haline gelmiştir. Son yıllarda, araştırmacılar farklı algılama teknikleriyle kalorimetrik, elektrokimyasal, piezoelektrik ve optik teknikler (Gallinet ve Martin, 2013; He vd., 2014;
Liu vd., 2018; Pan vd., 2013) gibi farklı tiplerde Kİ sensörleri ortaya koymuşlardır. Optik fiberlerin sahaya çıkmasından sonra araştırmacılar Kİ algılaması için fiber optik sensörler üzerinde de çalışmalar başlatmışlardır. (Mehrvar vd. 2005). Tek modlu optik fiberler (SMF'ler), uzun mesafelerde daha yüksek veri iletim hızı potansiyeli ile düşük kayıplı iletim için tasarlanmıştır. Bu fiberler, öz ve kılıf olarak isimlendirilen silindirik geometriye sahip katklılı silika ve saf silika katmandan oluşular. Öz ve kılıf arasındaki kırılma indislerindeki farkı, ışığın öz/kılıf ara yüzündeki “tam dâhili yansıma” sayesinde öz boyunca yönlendirilmesine olanak sağlamaktadır. Öz/kılıf ara yüzeyinden kılıfa doğru uzandıkça, bu bölgedeki elektrik alan, yarıçapın bir fonksiyonu olarak katlanarak genliği azalan sönümlü dalgalar (evanescent wave) oluşturur (Gupta ve Verma, 2009). Kılıf katmanı, kılıfa çıkan herhangi bir ışığın, fiberin dışındaki ortama nüfuz etmesini önleyecek kadar kalındır. Böyle bir optik ortam, fiber özüne bağlaşık tüm ışık modlarının,
2
bir miktar kayıp olsa da fiberin sonuna kadar ilerleyebilmesine olanak sağlar. Fiberin kılıf katmanı, yayılan dalganın bozulma uzunluğundan çok daha geniş olduğu için, bu katmanı çevreleyen ortamla neredeyse hiçbir etkileşim yoktur. Optik bir dalgakılavuzu olan fiberin bu yapısı, ışığın uzun mesafeli iletimi için mükemmel bir ortam sağlar; ancak çevresindeki ortamın özelliğini algılamak için onu kullanışsız hale getirir.
Optik fiberler ile sensör oluşturmanın etkin bir yolu, fiberin belirli bir kısmının inceltilmesidir. Böylece kılıf katmanında sönümlenen dalga, bu bölgede kolayca yol alabilir ve kılıfı çevreleyen dış ortamla etkileşimde bulunabilir. (Liu vd. 2018). İncelen bir fiberde öz kalınlığı azaltıldığı için, sönümlenen dalga kılıf dışındaki dış ortama doğru daha da uzanır. Literatürde Kİ 'yi fiber optikle algılamak için konikleştirilmiş fiber (Hwang vd. 2013), optik ızgaralama (Iadicicco vd. 2005) , optik girişimölçerler (Wang ve Tang, 2012) ve rezonatörler (Shi vd. 2007) gibi birçok farklı teknik vardır.
Son yıllarda, yüksek hassasiyet, esnek tasarım, düşük maliyet ve nispeten basit imalat yöntemleri gibi benzersiz özelliklerinden dolayı Kİ algılamasında fiber içi Mach–
Zehnder girişimölçerine dayalı sensörlerin gelişimine büyük çaba harcanmıştır. Bir Mach–Zehnder girişimölçerleri uygulamak için, ışığı fiberin özünden kılıfın uyarılmış üst düzey modlarına bağlaştırmak veya tam tersi için mod alan uyuşmazlığı gerekmektedir.
Mach–Zehnder interferometreleri üretmek için fiberin konikleştirilmesi (Irigoyen vd.
2017; T. K Yadav vd. 2014) veya fiber öz-öz hiza sapması (J. Zhou vd. 2015) Kİ sensörlerinin tasarımında en yaygın kullanılan tekniklerdir.
Ji vd. (2014) Kİ algılaması için ultra kısa bir bele sahip konik bir mikro–fiber sunmuşlardır. Liu vd. (2015) iki SMF arasında bölünmüş konik ve küçük özlü tek modlu fiber rapor etmişlerdir. Fu vd. (2016) ise iki SMF arasında sıkıştırılmış konik özel çok modlu fiber (SMMF) önermiştir. Zhu vd. (2015) 3000 kat AL2O3 nanofilmini konik bir fiber üzerine biriktirerek Kİ sensörünü geliştirmişlerdir. Arregui vd. (2016), herhangi bir koniklik kullanmayan ve duyarlılıkta ilginç bir artış sunan bir sensör sunmuştur. Bu sensör, metaloksit ve polimer ile kaplı D–şekilli fiber optik kullanan kayıplı mod rezonans fiber optik etkiye dayanmaktadır.
3
Son zamanlarda, çok damarlı fiber (MCF), araştırmacılar tarafından farklı algılama uygulamalarında (Van Newkirk vd., 2015; Zhao vd., 2013) özellikle de süper–modları destekleyen ve farklı özlerdeki ışığın çoklu yolunu destekleyen ilginç yapısı nedeniyle büyük bir ilgi görmüştür. MCF, aynı kılıf ortamını paylaşan birkaç özden oluşur.
Guzmán–Sepúlveda vd., 2013, iki SMF arasında ayılmış iki özlü bir fiber (TCF) kullanan yeni bir Kİ sensörü geliştirmiştir. TCF' nin merkezi bir özü ve eksen dışı bir özü vardır.
Yazarlar, fiberin kılıf parçasını çıkarmak ve öz dışını çevreye maruz bırakmak için kimyasal aşındırma tekniği kullanmışlardır. Li vd., 2016, dört özlü bir fiberin (FCF) bir kısmının iki SMF arasında birleştirilerek oluşturulan çok yollu bir Mach–Zehnder interferometresini rapor etmişlerdir. C. Zhang vd. 2017, FCF ‘yi konikleştirerek önceki sensörün hassasiyetini daha da geliştirmiştir. Yazarlar, koniklik bel çapını azaltarak hassasiyetin daha da arttırılabileceğine inanmaktadırlar. May–Arrioja ve Guzman–
Sepulveda, 2017, iki SMF arasına yerleştirilmiş yedi özlü bir fiber (SCF) kullanarak çok hassas bir sensör geliştirmişlerdir. Aşındırma teknolojisi, SCF' nin kılıf katmanını kaldırmış ve özü çevreleyen ortama maruz bırakmıştır. Önerilen sensörde Kİ değişikliğinin 10−4 ila 10−5 hassasiyetle ölçülebileceği rapor edilmiştir. Kim vd. (2015) değişen Kİ ile SCF’ yi konikleştirerek hat içi bir bağlaştırıcı göstermişlerdir. Bu bağlaştırıcı, bel çapının 50 µm' den daha aza indirilmesiyle daha da geliştirilmiştir.
Çizelge 1.1’de yukarıda rapor edilen Kİ sensörlerinin performansını listelemektedir.
4
Çizelge 1.1 Rapor Edilen Kİ sensörlerinin performans karşılaştırması.
Yapı Hassasiyet,
nm/RIU Kİ aralığı Kaynak
Ultra kısa bel ile Konikleştirilmiş
mikrofiber
25667 1.4145–1.4157 (Ji vd. 2014)
Konikleştirilmiş
SMF–Küçük Özlü SMF–SMF
19212.5 1.4304–1.4320 (Liu vd. 2015) Konikleştirilmiş
SMF– SMMF–SMF
444.5 1.3349–1.3470 (Fu vd. 2016) Nanofilm ile kaplanmış
Konikleştirilmiş fiber 6008 1.3371–1.3474 (Zhu vd. 2015) Metalik oksit ile kaplanmış
D–şekilli fiber 304361 1.4474–1.4490 (Arregui vd. 2016) Aşındırılmış
SMF– TCF–SMF 3119 1.3160–1.3943 (Guzmán–Sepúlveda
vd. 2013)
SMF–FCF–SMF 91.39 1.3388–1.3909 (Li vd. 2016)
Konikleştirilmiş
SMF– FCF–SMF 171.2 1.3448–1.3774 (C. Zhang vd.
2017) Aşındırılmış
SMF– SCF–SMF 1.25×104 1.44445–1.44760
(May–Arrioja ve Guzman–Sepulveda, 2017)
Konikleştirilmiş
SMF–SCF–SMF 542.7 1.312–1.320 (Kim vd. 2015)
Konikleştirilmiş SMF– TAMCF–SMF (Sunulan çalışma)
35089.28 1.443–1.4442 (AL–Mashhadani ve Navruz, 2019)
Bu tez çalışmasında, konik hendek destekli çok özlü fiber (TAMCF) önerilmiş ve Kİ algılama performansı deneysel olarak gösterilmiştir. TAMCF diğer MCF' lerden farklıdır;
yedi öze sahiptir ve her bir öz, tamamı tek bir kaplamaya gömülmüş olan ayrı kılıf ve
5
hendek katmanıyla çevrilidir (AL–Mashhadani ve Navruz, 2019). TAMCF, birçok potansiyel algılama uygulamasına olanak sağlayan özel fiber yapısı nedeniyle giderek artan bir ilgi görmektedir. TAMCF yüksek sıcaklık (Duan vd. 2016; Zhou vd. 2017), eğrilik (Zhang vd. 2016), gerilme (H. Zhang vd. 2017), bükme (Tan vd. 2018), ve şekil algılama (Zhao vd. 2016) için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.
Bu tezin amacı, diğer optik fiber Kİ sensörlerinin hassasiyetini aşan Kİ ölçümlerinde TAMCF sensörleri ile yüksek duyarlılığa ulaşmaktır. MCF' ye dayalı sensörler, içinde mevcut olan çeşitli özler nedeniyle, geleneksel kırılma indeksi sensörleri ile karşılaştırıldıklarında hassasiyet, duyarlılık, kompaktlık ve tepki süresi açısından önemli gelişim göstermişlerdir. Bu çalışmanın Kİ algılama uygulamasında TAMCF' yi kullanan ilk çalışma olduğu not edilmelidir. Sunulan çalışmada, deneysel olarak elde edilen hassasiyet, Çizelge 1’de gösterildiği gibi MCF' ye dayalı rapor edilen diğer sensörlerden daha yüksektir. Önerilen sensör, yüksek hassasiyet, basit yapı ve düşük maliyet avantajları sunmaktadır.
Bu çalışmanın amacı aşağıdaki gibi özetlenebilir:
TAMCF' yi inceleyerek çalışma sistemini anlamak, sayısal ve deneysel çalışmalar ile Kİ sensörü geliştirmek.
MCF kullanarak Kİ ölçümlerinde yüksek hassasiyet elde edebilecek tasarımlar geliştirmek.
Kırılma indisi algılaması için TAMCF 'ye kullanan konikleştirilmiş fiber sensörünün üretimini ve uygulamasını sağlamak.
Kİ sensörünü geniş bir ölçüm aralığında test etmek ve performansını değerlendirmek.
Tez, çok damarlı fiber kullanan Kİ sensörü alanında, yukarıdaki amaç ve hedeflere ulaşmak için planlanan ve yürütülen kapsamlı bir çalışmayı içermektedir. Konikleştirme tekniği ile MCF kullanımı geleneksel konikleştirilmiş standart SMF'ye kıyasla büyük bir kırılma indisi hassasiyeti ortaya koymaktadır.
6
Çalışma, içeriği aşağıdaki şekilde özetlenebilecek olan bölümlerde ayrıntılı olarak sunulmakta ve tartışılmaktadır.
Bölüm 1, optik fiber sensörün incelemesi ile tezin amaç ve hedeflerinin kısa bir tanıtımını içermektedir. Ayrıca literatürde bildirilen MCF 'ye dayalı sensörlerin genel bir incelemesine de yer verilmiştir.
Bölüm 2, farklı optik fiber sensör tekniklerini kısaca açıklamaktadır. Sonrasında optik fiber sensörün diğer elektrik sensörleri ile karşılaştırıldıklarında başlıca avantajları hakkındaki tartışmalar izlenmektedir. Ayrıca, bu bölüm imalat tekniği olan konik optik fiber teknolojisi sensörüne odaklanmaktadır. Konik optik fiber sensör yapıları detaylı olarak tartışılmaktadır.
Bölüm 3, MCF türlerini özetleyen genel bir bakış sunmaktadır. Bunu TAMCF ve türlerinin tanıtımı takip etmektedir. Daha sonra Kİ, sıcaklık ve eğilme algılamasında MCF uygulamaları gözden geçirilmiştir. Ayrıca, iletişim ve fiber lazer alanındaki uygulamalarına yer verilmiştir.
Bölüm 4, konik MCF' de ışık yayılımının dalga kılavuzu özelliklerini tanıtmaktadır.
MCF'nin süper modları için teorik bir hesaplama, Bağlaşık Mod Teorisi (coupled mode theory, BMT) temel alınarak analiz edilmiştir. Konik MCF' de mod bağlaşım katsayısının önemi açıklanmıştır.
Bölüm 5, konik TAMCF’ nin deneysel çalışmalarını ve üretimini açıklamaktadır.
Konik SMF–TAMCF–SMF tümleşik fiberin nasıl üretildiği anlatılmıştır. Üretilen sensörlerin farklı Kİ aralıklarında duyarlılıkları deneysel olarak ölçülmüştür.
Bölüm 6, simülasyon ve deneysel sonuçların analizini içermektedir. Birinci kısımda, sensörün Işık Yayılma Yöntemi (BPM) kullanılarak elde edilen simülasyon sonuçları sunulmuştur. Konik SMF-TAMCF–SMF ve konik SMF–MCF–SMF sensörlerinin tasarımları yapılmış ve simülasyon yöntemi ile performansları değerlendirilmiştir.
Ayrıca, TAMCF' de bulunan hendek katmanın sensör duyarlılığı üzerine analizi gerçekleştirilerek faydası tartışılmıştır. İkinci kısımda, farklı kırılma indisi aralıklarıyla ve farklı konikleştirme parametresiyle birlikte konik hendek destekli MCF sensörünün deneysel sonuçları kapsamlı bir şekilde incelenip sunulmuştur.
Bunu, elde edilen sonuçların tartışılması ve analizi takip etmektedir.
7
Bölüm 7, tezin genel sonucunu sunmakta ve MCF 'ye dayalı optik fiber sensörlerini geliştirmek için gelecekte yapılabilecek potansiyel çalışmalar önermektedir.
8 2. OPTİK FİBER SENSÖRLER
2.1 Optik Fiber Sensör Teknikleri
Bir sensör sistemi veya sensör, bir enerji türünü başka bir enerji türüne dönüştürmek üzere, genellikle bir iletişim kanalı ile sinyali üretmek, algılamak ve değerlendirmek için işleyen bir alt sistemden oluşan bir tür dönüştürücüdür. Bir optik sensör, ölçülen büyüklüğün optik sistemdeki ışığın genlik, faz, frekans veya polarizasyon gibi bazı özelliklerinde değişime veya modülasyonlara neden olduğu bir sistemdir. Sonuç olarak, eğer fiber optik teknolojisi bir sensör sisteminin işlemlerinde veya parçalarında kullanılıyorsa, genellikle optik fiber sensörü olarak bilinir.
Günümüzde, optik fiber sensörleri üretilmiş olup hâlihazırda birçok uygulamada kullanılmaktadır. Temel olarak, optik fiber sensörler şekil 2.1' de gösterildiği gibi dört ana bileşenden oluşur: optik ışıma kaynağı, optik fiber, algılama bölgesi ve dedektör.
Şekil 2.1 Temel optik fiber sensörün konfigürasyonu
Bir optik fiber boyunca yayılan ışık, algılama bölgesinden geçmekte olup, burada ışık dalgasının belirli özellikleri, algılama bölgesinde ölçülmesi gereken dış değişimlerden etkilendiğinde değişecek ve fiber içinde modlar arası bağlaşım kurulacaktır. Bağlaşık ışık dalgası (bilgiyi içeren) daha sonra dedektör tarafından alınır ve demodülasyondan sonra ölçülmesi gereken harici değişken parametrelere ulaşılabilir. Genel olarak, optik fiber sensörler dış ve iç sensörler olarak bilinen iki temel gruba ayrılır. Dolayısıyla, bu fiber sensör gruplarının her birinin çeşitli alt grupları ve hatta bazı durumlarda çok sayıda fiber sensörünü içeren alt grupları bulunabilir. Optik fiber sensörler, modülasyon ve demodülasyon işlemleri, uygulama, ölçüm noktaları gibi hangi özelliğin dikkate
9
alındığına bağlı olarak farklı şekillerde sınıflandırılabilir (Rajan ve Iniewski, 2017). Şekil 2.2, fiber optik sensörlerin genel sınıflandırmasını göstermektedir.
Şekil 2.2 Optik fiber sensörlerin genel sınıflandırması ve türleri 2.1.1 İç optik teknikleri
İç optik cihazların temel çalışma prensibi, optik fiberlerde olduğu gibi dâhili bir ışık dalgası ile onu çevreleyen etkiler arasındaki etkileşime dayanır. Başka bir deyişle, çevresel etki, optik fiberdeki gibi ilerlerken ışık dalgası üzerine bilgiyi kaydeder. İç optik fiber bir sensörünün gösterimi Şekil 2.3' de verilmiştir.
10
Şekil 2.3 Yayılan ışık dalgasının doğrudan çevresel etkilerle modüle edildiği iç optik fiber sensörler
2.1.1.1 İnterferometrik sensörler
İnterferometrik yada bir diğer ifadeyle girişimölçer sensörü, fiberde farklı optik yollara sahip iki ışığın girişimini kullanır. Optik yol farkının varlığından dolayı iki ışık arasında faz değişimi meydana gelir. Fiber interferometre sensörleri yüksek hassasiyet ve geniş dinamik ölçüm aralığında algılama sunabilir. Algılama dalga boyu, faz, yoğunluk, frekans veya bant genişliğinde değişimi içeren çeşitli yöntemlerle ifade edilebilir (Lecler ve Meyrueis, 2012). Mach Zehnder, Michelson, Fabry Perot ve Sagnac gibi çeşitli optik fiber interferometreleri Şekil 2.4'te gösterilmiştir.
Mach Zehnder interferometresinde, ışık bir optik bağlaştırıcı (kuplör) tarafından biri referans ve diğeri algılama kolu olarak adlandırılan iki yola ayrılır ve Şekil 2.4 (a) 'da gösterildiği gibi başka bir kuplör tarafından yeniden birleştirilir. Algılama yolundaki ışığın çevreleyen ortamla etkileşimi sonucu referans yolundaki ışığa göre bir faz farkı oluşur.
Şekil 2.4 (b) 'deki Michelson interferometresi yansıma moduna bağlıdır ve ışığın ayrılması ve yeniden birleştirilmesi için aynı kuplörü kullanır.
11
Şekil 2.4 Fiber interferometre türlerinin şematik diyagramları (a) Mach–Zehnder, (b) Michelson, (c) Fabry Perot, (d) Sagnac
Fabry Perot interferometresinde, girişim örüntüsü, Şekil 2.4 (c) 'de gösterildiği gibi D mesafesiyle ayrılan yüksek oranda yansıtıcı aynadan yansıyan çoklu ışınların üst üste binmesinden üretilir. Silis–hava ara yüzeyinde yansıma katsayısınden (yaklaşık %4)
(a)
(b)
(c)
(d)
12
kaynaklanan ışığın sapması nedeniyle oluşan kuplaj kaybının dikkate alınması gerektiği ifade edilmelidir. Algılama bölgesi ile ayna arasındaki ortamın kırılma indisi ve D mesafesindeki değişiklikler interferometrede bir faz değişimine neden olan ışın demetleri arasındaki optik yol farkını değiştirir.
Şekil 2.4 (d) 'de gösterilen Sagnac interferometresi bir fiber döngüsüne sabitlenmiş çift kırılmalı bir fiber parçasından oluşur. Işık demeti bir kuplör tarafından bölünür ve daha sonra, iki kola yayılan ışın aynı kuplör tarafından tekrar birleştirilir. Işık demeti çift kırılmalı fiberin yavaş ve hızlı ekseni boyunca polarize edilir ve interferometre iki polarize ışın arasındaki faz farkına duyarlıdır (Rajan ve Iniewski, 2017).
2.1.1.2 Genliği azalan dalga sensörleri
Optik fiberde, tam dâhili yansımanın her bir noktasında yansıyan sinyaller ile gelen dalga arasında girişim meydana gelir ve daha sonra optik fiber özünün ötesine uzanan bir dalga oluşturur (Lu vd. 2008; Messica vd. 2008;). Elektromanyetik alanın bu kısmı, azalan dalga veya sönümlü dalga alanı olarak bilinir. Bu alan Şekil 2.5 (a)' da gösterildiği gibi katlanarak azalır ve toplam iç yansıma tarafından üretilen sönümlü dalga alanı Şekil 2.5 (b)' de gösterilmiştir.
Temel olarak, sönümlü dalga alanı sensörlerinin çalışabilmesi için, elektromanyetik alanın Şekil 2.5 (c)' de gösterildiği gibi ölçülmesi gereken özellik ile etkileşime girmesini sağlanmalıdır. Bu nedenle, yüksek hassasiyet elde etmek için özdeki kılavuzu parçaya mümkün olduğunca yaklaşmak önemlidir.
13
Şekil 2.5 Azalan dalga alanı (a) Optik fiberde sönümlü dalga alanı (b) Tam dâhili yansıma tarafından üretilen sönümlü dalga alanı (c) Azalan dalga alanına dayalı optik fiber sensörün çalışma prensibi
Azalan dalga alanı ile etkileşimi arttırmak için, literatürde konikleştirme (Gaston vd.
2003), D–şekilli fiber (Sequeira vd. 2016) ve fiberlerin eğilmesi (Iadicicco vd. 2011) sıkça rapor edilmektedir.
Konik fiberde, ışın demeti öz bölgesiyle sınırlı olmayıp sızma (penetrasyon) derinliği olarak nitelendirilen kılıf bölgesinin derinliklerine nüfuz eder (Lu vd. 2008; Messica vd.
2008). Sızma derinliği eşitlik 2.1 ile de elde edilebilir:
𝑑𝑝 = 𝜆
2𝜋 𝑛öz[𝑠𝑖𝑛2𝜃 − (𝑛𝑘𝚤𝑙𝚤𝑓
𝑛öz )2]1/2 (2.1)
Burada dp sızma derinliği, λ optik fiberde yayılan sinyalin dalga boyu, θ ışığın fiber arayüzeyine gelme açısı, 𝑛ö𝑧 ve 𝑛𝑘𝚤𝑙𝚤𝑓 sırasıyla fiber öz ve kılıfının kırılma indisleridir.
Işığın, onu çevreleyen ortamla etkileşimi, kılıftaki sızma derinliği ile orantılıdır.
14 2.1.1.3 Izgara sensörleri
Genel olarak fiber ızgaralarının tasarımında yaygın olarak kullanılan iki teknik vardır:
Bunlar Fiber Bragg Izgarası (FBG) ve Uzun Periyodlu Izgaradır (LPG). FBG genellikle, Şekil 2.6' da gösterildiği gibi, kırılma indisinin periyodik bir değişimle fiber özüne (Chen vd. 2011) yazılması (işlenmesi) yoluyla üretilirler. Bir çeşit indis modülasyonu olarak ta ifade edilen bu teknik sayesinde, FBG geniş bantlı bir ışık kaynağıyla aydınlatıldığında, gelen ışığı aşağıdaki koşulun sağlandığı Bragg dalgaboyunda kuvvetlice yansıtırken diğer dalgaboylarında ile yıkıcı bir girişim oluşur.
𝜆𝐵= 2 𝑛ö𝑧,𝑒𝑓𝑓 𝛬G (2.2)
Burada 𝜆𝐵 Bragg dalga boyu, 𝑛ö𝑧,𝑒𝑓𝑓etkin öz indisi ve 𝛬G kırılma indisi modülasyonunun uzamsal periyodu ya da kısaca ızgara adımıdır.
Şekil 2.6 FBG ‘nin çalışma prensibi
FBG'ler Kİ, sıcaklık, zorlanma, basınç ve kimyasal algılama gibi farklı parametreleri algılamak için kapsamlı bir şekilde incelenmişlerdir. Bu parametrelerden herhangi biri ızgara adımını değiştirir böylece Bragg dalga boyu 𝜆𝐵değişir
.
15
FBG'ye benzer şekilde, LPG de fiber özüne yazılmış periyodik bir kırılma indis değişimine sahiptir. LPG'nin ızgara adımı FBG den çok daha büyük olmak üzere 100 µm ila 1 mm arasındadır. Bu yüzden ileriye doğru yayılan öz ve kılıf modları arasında kuplaj sağlar (James ve Tatam, 2003). Bununla birlikte, kılıf modları oldukça zayıflatılmıştır.
LPG’ nin iletim spektrumu her biri belirli bir kılıf modunu temsil eden rezonans dalgaboylarını içerir. İletim spektrumunda birer dip oluşturan ve λLPG ile ifade edilen bu dalgaboyları ile ızgara periyodu 𝛬G arasındaki ilişki aşağıdaki gibi tanımlanır.
𝜆𝐿𝑃𝐺 = (𝑛ö𝑧−𝑛𝑘𝚤𝑙𝚤𝑓,𝑚)𝛬G m=1,2,3,… (2.3)
Burada 𝑛ö𝑧 ve 𝑛𝑘𝚤𝑙𝚤𝑓,𝑚 sırası ile öz etkin indisi ve m. kılıf modunun etkin indisidir. LPG'ler fiziksel ve kimyasal algılama için kullanılabilir. LPG'nin çevresindeki ortamda meydana gelen değişiklikler öz ve kılıf modları arasındaki kuplajı değiştirerek iletim dalga boyunda bir faz değişikliğine yol açacaktır. FBG ve LPG’ nin ortamın sıcaklık, fiberin gerilme, bükülme gibi değişimlerine çapraz hassasiyet göstermesi dikkat çekici özellikleridir.
2.1.1.4 Dağıtılmış fiber sensörleri
Dağıtılmış fiber algılama, fiberin uzunluğu boyunca gerçek zamanlı ve sürekli ölçümler sunan bir teknolojidir. Dağıtılmış fiber sensörü, fibere bir dizi darbe gönderilmesi ve ortam durumuna göre oluşan dağınık sinyalin kaydedilmesi prensibine dayanır. Başka bir deyişle, dağıtılmış algılama çok sayıda bağlantı kablosu gerektiren ayrık sensörlerin aksine elde edilen verileri okuma ünitesine iletmek için yalnızca bir bağlantı kablosu gerektirir. Bu sensörlerin en ilginç yanı fiber boyunca her noktada ölçüm yapabilme kabiliyetidir. Bu özellik dağıtılmış sensörlerini daha uygun maliyetli hale getirir ve aynı zamanda büyük inşaat mühendisliği yapılarının sürekli izlenmesi gibi çok çeşitli önemli uygulamalarına olanak tanır (Ding vd. 2018; Tang ve Cheng, 2018).
16
Dağıtılmış fiber algılama sistemlerinde, sıcaklık veya gerilme gibi fiziksel büyüklüklerin lokal değişkenliğinden kaynaklanan dağılmış ışığın özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri izleyerek fiberin kendisi sensör haline gelir. Dağıtılmış optik fiber algılamasında kullanılan elastik ve elastik olmayan ışık yayılmasının en önemli mekanizmaları Rayleigh, Brillion ve Raman saçılmalarıdır. (Schenato, 2017).
2.1.2 Dış optik sensörler
Dış fiber sensörlerde, ışık demeti, çevre ortamla etkileşime girmek için yayılır ve fiberden dışarı çıkar daha sonra Şekil 2.7'de gösterildiği gibi tekrar fibere bağlanır. Açıkça görüldüğü üzere, ışık demeti doğrudan dış değişimlerden etkilenmektedir (Prokopczuk vd. 2012).
Şekil 2.7 Çevreden geçen ışığın değiştiği dış optik fiber sensörleri
Dış sensörler absorpsiyon ve floresans tabanlı sensörler olmak üzere iki tipte sınıflandırılabilir (Rajan ve Iniewski, 2017). Dış sensörler bu tezin kapsamı dışında olduğu için ayrıntılı bir içerik sunulmamıştır.
2.2 Fiber Optik Sensörlerin Avantajları
Elektromanyetik Girişim Bağışıklığı
Optik fiber genellikle camdan (silika) veya plastik malzemeden imal edilir. Fiber algılama bölgeleri genellikle elektrik devreleri olmayan saf fiberden yapılır. Bu nedenle, dış ortamdan kaynaklanan elektromanyetik etki fiberin içinde yayılan ışığı değiştirmez.
Başka bir deyişle, algılama bilgileri elektronlar tarafından değil de fotonlar tarafından
17
taşındığı için optik fiber sensörler elektromanyetik girişime karşı doğası itibariyle duyarsızdır. Bu özellik, elektronik sensörlere kıyasla optik sensörlere büyük avantaj sağlar.
Tıbbi alanlarda uygulanması durumunda, elektrikle çalışan sensörler, radyo frekansı veya mikrodalga yayan elektrikli cihazlardan dolayı elektromanyetik girişimlere neden olabilir. Bu ortamda çalışan optik fiber sensörler, ekranlı olmaları gerekmediğinden dolayı elektrik sensörlerinden çok daha küçük yapılabilir. Böylesine kalabalık tıbbi ortamlarda, boyut küçültme en önemli faktörlerden biridir (Fidanboylu ve Efendioğlu, 2009).
Yüksek hassasiyet
Optik fiber sensörlerin bir başka avantajı, yüksek hassasiyete sahip olmalarıdır. Çünkü dalga boyu, faz, yoğunluk gibi ışığın parametlerinde meydana gelen değişimleri ölçerek, optik fiber sensörler ile yüksek hassasiyet elde etmek kolaydır. Genellikle, çevredeki ortamın küçük bir değişimi, kırılma indisi, uzunluk, şekil değişimi gibi fiberin fiziksel özelliklerini etkileyecek unsurlar fiberde yayılan ışığı etkileyecektir. Çevreleyen ortamdaki küçük bir değişiklik, algılama bölgesini tam olarak dizayn ederek ışık demetinde büyük bir değişimine yol açacaktır (Fidanboylu and Efendioğlu, 2009).
Hafiflik, Boyutça Küçüklük ve Çevresel Dayanıklılık
Optik fiberler milimetrik çaplara sahip olup, oldukça hafiftir. Bu da, optik fiber sensörlerinin izlenmesi gereken bina ve yapılara kolayca yerleştirilebilmelerine olanak sağlamaktadır. Öte yandan, cam genellikle çok kararlı bir malzemedir, bu nedenle fiber sensörler zorlu ortamdaki uygulamalar için dayanıklıdır. Örneğin, nem ve yüksek sıcaklık koşulları petrol kuyularında elektrikli cihazların uzun süre çalıştırılmasına izin vermez.
Ayrıca, petrol kuyusunda uzun süre izlemeye ihtiyaç duyulduğunda optik fiber sensörler daha güvenlidir; çünkü elektrikli cihazlar patlamaya neden olabilir. Denizaltı
18
uygulamasında, optik fiber sensörleri doğadaki kararlılıkları nedeniyle en iyi seçeneklerdir ve algılama bölgesini korumak için diğer karmaşık su geçirmez sistemlere ihtiyaç duymazlar (Correia vd. 2018) .
Güvenlik
Çoğu optik fiber sensörü sensör bölgesinde elektrik gücü gerektirmez. Optik sinyal normal olarak düşük güçte ışık enerjisi şeklinde yayılır. Tehlikeli ortamlarda elektrik kıvılcımı çıkması tehlikesi çok azdır veya hiç yoktur. Bu nedenle optik fiber bu tür ortamlarda güvenle kullanılabilir. Fiberin kendisi, genel olarak, yüzlerce miliwatt optik gücü taşıyabilir. Fiber, yüksek derecede patlayıcı gazların veya gaz karışımlarının kullanıldığı bazı kimyasal yerlerde bile fiber kablonun kazara kırılmasıyla herhangi bir tehlike oluşturmaz. Fiber optik sensör sistemleri, doğası gereği güvenli ve emniyetli olarak kabul edilebilir (Fernandez–Vallejo ve Lopez–Amo, 2012).
Çoğullama ve Dağıtılmış Kapasiteler
Çoğullama özelliği geleneksel tek nokta sensörlerine göre fiber optik sensörlerin önemli bir özelliğidir ve büyük bir avantaj olarak kabul edilir. Sensörlerin çoğullanması ortak bir kaynak ve tespit sistemi kullanılarak sensör maliyetinin azaltılması amacıyla kullanılabilir. Dalga Boyu Bölmeli Çoğullama (WDM), Zaman Bölmeli Çoğullama, Frekans Bölmeli Çoğullama, ve Mekansal Bölmeli Çoğullama tekniklerinin farklı kombinasyonları kullanılarak tek bir optik fiber boyunca çoğullanan sensörlerin sayısını arttırmak mümkündür (Fidanboylu ve Efendioğlu, 2009).
Uzak Ağ Algılama
Sensör ağı doğrudan izlenecek yapının içine ya da çok yakınına dağıtılmış bir dizi sensörden oluşmaktadır. Optik fiber sensör ağları geniş uygulama alanları, emniyet ve güvenlik izlemesi gibi alanlarda geleneksel sensör ağlarına göre önemli avantajlar
19
sağlamaktadır. Uzaktan izleme, kimya endüstrisi, denizaltı ortamları tahmini ve boru hattı izleme ve kırılma indisi algılama gibi bazı uygulamalar için yararlı ve önemlidir (Fernandez–Vallejo ve Lopez–Amo, 2012).
Öte yandan, fiber optik sensörler bazen fiberin doğrusal olmayan özelliklerinden kaynaklanan istenmeyen etkiler, dağılma, gürültü seviyeleri, dönüştürücülerin (transdüserlerin) karmaşık kullanımı ve sistemin maliyeti gibi farklı zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bir optik fiberin farklı ölçümlere çapraz duyarlılığı önemli bir sınırlamadır; çünkü çıkış sinyallerinde hatalar ortaya çıkmaktadır ancak bu sorun geleneksel sensörler için de var olmaya devam etmektedir.
2.3 Konik Optik Fiber
2.3.1 Konik yapı ve sensör konfigürasyonu
Konik optik fiber, fiberin ısıtılarak ve uzatılarak çapını azaltma sürecini içermektedir.
Konikleştirme işleminin sonucunda ortaya çıkan malzeme konik fiber olarak adlandırılır (Tan vd. 2013). Bir konik fiber Şekil 2.8' de şematik olarak gösterildiği gibi üç parçalı bir yapı olarak gösterilebilir. Bu parçalar aşağıdaki şekilde açıklanabilir:
1. Fiber çapının kademeli olarak azaldığı azalan konik bölme; bu bölüme konik geçiş bölgesi de denir.
2. Konikleştirilmemiş fiber çapından daha küçük ancak tek bir çapa sahip fiber bölmesi;
bu bölme konik bel olarak adlandırılır. Bu bölüm uzun, kısa veya çok kısa olabilir.
3. Fiber çapının kademeli olarak orijinal boyuta yükseldiği ve artan konik geçiş bölme;
ikinci konik geçiş bölgesi de denir.
Isıtma kaynağı ve germe tekniğinin kabiliyetlerine bağlı olarak farklı biçimlerde konik profilin elde edilmesini sağlanabilir. Koniklik doğrusal, üstel, parabolik, sinüzoidal ve
20
polinomiyal olmak üzere çok çeşitli türlerle modellenebilir (Hettrick vd. 2003; Yadav vd., 2014).
Şekil 2.8 Konik fiberin şematik diyagramı
Fiber konikliği Şekil 2.9' da gösterildiği gibi adyabatik ve adyabatik olmayan olarak iki kategoriye ayrılabilir. Gücün çoğu temel modda kalırsa ve koniklik boyunca ilerlerken kılıfın yüksek dereceli modlarına birleşmiyorsa konik bir fiber adyabatik olarak kabul edilebilir. Bu durumda, konikliğin yarıçapındaki değişiklik, az bir koniklik açısı ile oldukça yavaş olmalıdır. Adyabatik konik fiber genellikle kırılma indisine karşı oldukça hassas olan yüzey Plazmon rezonans sensörünün üretimi için kullanılır. Adyabatik olmayan konikleştirme sırasında, optik gücün bir kısmı kılıf modunda geçer ve konik bölge boyunca yayılırken temel öz modu ile birleşir. Bu nedenle, koniklik açının birleşme işlemini kolaylaştıracak kadar büyük olması gerekir (Ji vd. 2013; Monzón–Hernández ve Villatoro, 2006; Zibaii vd. 2010).
Şekil 2.9 (a) Adyabatik konik ve (b) adyabatik olmayan konik (Zibaii vd. 2010)
Konik bölgede, fiberin kılıfı bir anlamda öz olarak işlev görür ve çevresindeki ortam
“yeni” kılıf olarak işlev görür. Konik bölge tarafından yönlendirilen ışığın büyük bir
21
kısmı, sönümlenen dalga olarak fiber dışına yayılır. Koniklik, sönümlenen dalga alanının çevredeki ortama nüfuz etmesine izin verir. Bu nedenle, kılavuzlu modun etkin indisi çevredeki ortamın kırılma indisindeki değişime karşı yüksek hassasiyet gösterir ki bu da girişimölçer sensörlerinde yaygın olarak rapor edilmektedir. Fiberin iletim spektrumları çevredeki ortamın soğurma (absorpsiyon) özelliklerine duyarlıdır, bu da sönümlü dalga spektroskopisinde önemlidir ve konik fiberin çok çeşitli uygulamalarda sensörler olarak kullanılmasına olanak tanır.
Konikleştirmeye dayalı optik fiber sensörler aşağıda açıklandığı gibi birçok farklı tasarıma sahiptir. Şekil 2.10, konikleştirme tekniğine dayalı olarak yaygın bir şekilde rapor edilen sensör tasarımlarının şematik diyagramını göstermektedir.
Düz konik
Çevreleyen ortamla etkileşime girmesi için kılavuzlanmış modların güçlü sönümlü dalga alanına sahip yaygın bir konfigürasyondur. Düz konik fiber, Şekil 2.10 (a)' da gösterilmiştir. Algılama genellikle iletilen ışığın gücü veya fazı değiştirilerek gerçekleşir (Latifi vd. 2012).
Kaplamalı konik
Sensörün belirli ölçümlere duyarlılığını arttırmak için, konik yüzey özel bir kimyasal madde ile kaplanabilir. Böylece, sensör belirli kimyasal veya biyolojik numunelere yanıt verecek şekilde işlevselleştirilebilir. Şekil 2.10 (b), kaplanmış konik fiber sensörünün konfigürasyonunu göstermektedir (Girei vd. 2015;
Irigoyen vd. 2017).
FBG veya LPG konik
Dış ortamdaki bir değişikliğe yanıt olarak spektral bir değişim gösteren FBG veya LPG konik fiberin üzerine yazılabilir. Şekil 2.10 (c), LPG işlenmiş konik fiber sensörünün konfigürasyonunu göstermektedir (Osuch vd. 2012).
22
Bükülmüş konik
Düz konik sensörün dış Kİ'ye hassasiyetini arttırmak için konik sensörün geçiş bölgesinden itibaren bükülmüş bir kaplama uygulanmıştır (Mohageg vd. 2007).
Bükülmüş fiber bölgesinde, Fısıldayan Galeri Modu (WGM) uzun bir kaplama duvarı ile fiber özü arasında oluştur. Dış otam Kİ değiştiğinde bu modun fazını değiştirir ve böylelikle dalgaboyu kaymasına neden olur. Şekil 2.10 (d) bükülmüş konik fiber sensörünün yapılandırmasını göstermektedir.
Uç kaplamalı ayna
Şekil 2.10 (e), Michelson girişimölçer prensibine göre çalışan, bir ucu ayna kaplamalı konik optik fiberi gösterilmiştir. (Hutsel ve Gaylord, 2012). Duyarlılık, ışığın aynadan yansıdığı (genellikle altın kaplamalı) ve ikinci kez koniklikten geçtiği çift geçişli ölçüm şeması nedeniyle açıkça artmaktadır.
Şekil 2.10 Yaygın konik optik fiber konfigürasyon sensörlerinin şematik diyagramı (a) düz konik, (b) kaplamalı konik, (c) FBG veya LPG konik, (d) bükülmüş konik, (e) bir ucu ayna kaplamalı konik
23
2.3.2 Elektrik ark boşalması tekniği kullanılarak konik fiber üretimi
Genel olarak, konik optik fiber yapılar ısıtma ve germe işlemi ile imal edilmektedir.
Konik optik fiberin, bel çapı ve geçiş bölgesinin uzunluğu gibi parametreleri, sıcak bölgenin ısıtma süresi, gerilme hızı ve germe mesafesinin ayarlanmasıyla kontrol edilebilir. Konikleştirme imalat teknikleri ısıtma kaynağının tipine göre sınıflandırılabilir.
Isıtma kaynağı, elektrik ark boşalımı (Wang vd. 2016), alevle ısıtma (Harun vd. 2013), veya CO2 lazer ışını (Sun vd. 2014) olabilir. Tüm tekniklerin temel amacı, kontrol edilebilir parametrelerle istenen forma sahip uygun çapta koniklik elde etmektir.
Normal olarak, konik fiberin imalatı için elektrikli ark metodu AV 6471 (Yu vd. 2014) gibi bir füzyon birleştirici cihaz veya bu tezde sunulduğu gibi el yapımı bir elektrik ark boşaltma düzeneği (AL–Mashhadani and Navruz, 2019) kullanılarak uygulanabilir. Şekil 2.11, elektrikli ark boşalma üretim tekniğinin şematik bir diyagramını sunmaktadır.
Şekil 2.11 Elektrikli ark boşalma üretim tekniğinin şematik bir diyagramı
Optik fiber, fiberin polimer kaplaması çıkarılarak konikleştirmeden önce hazırlanmalıdır.
Daha sonra kaplaması sıyrılmış fiber bölümü fiber tutucularla bir çift deşarj elektrotu arasında sabitlenir. Bu tekniğin uygulamasında sırasıyla, elektrotlar arasında fiberin bir kısmını yumuşama noktasına kadar ısıtılması ve fiberi elektrik motorları yardımıyla çekerek inceltilmesi aşamaları vardır. Fiber uzadıkça çapı azalır. Konik tasarımın özellikleri özel bir yazılım ile kontrol edilir. İstenilen koniklik boyutlarını elde etmek için ark gücü, gerdirme hızı ve ivmesi ile germe uzunluğu gibi birçok parametre kontrol
Işık Kaynağı
Optik Spektrum
Analizör
Fiber Tutucular Elektrik Ark Boşalma
24
edilebilir. TAMCF’yi konikleştirmek için elektrik ark boşaltma tekniğini kullanan üretim düzeniği. Bölüm 5’te detaylıca açıklanmıştır.
25 3. ÇOK DAMARLI FİBERLER
Çok Damarlı Fiber (MCF) ilk olarak 1979 yılında Furakawa Electric tarafından üretilmiştir. 1990’larda MCF üzerine araştırmalar France Telecom tarafından yapılmıştır.
Sonrasında bir süre fazla bir gelişme olmamıştır. MCF' ye dayalı sistemler hakkındaki araştırmalar, iletişim uygulamalarında SMF'nin 100 Tb/s bit oranlarındaki kapasite sınırlılığı nedeniyle 2000’lerde yeniden başlamıştır (Saitoh ve Matsuo, 2013).
Temel olarak, Çok Damarlı Fiberler (MCFler) tek kılıfa sahip optik fiberlerdir. Tek bir kılıf içinde birden fazla öze sahiptirler. MCF'ler ayrık ve birleşik tür olarak sınıflandırılabilir. Ayrık MCF'lerde, her bir öz ayrı bir dalga kılavuzu olarak kullanılır.
Bu nedenle uzun mesafeli iletim uygulamaları için özler arası çapraz karışmayı azaltmak için özler dikkatli bir şekilde düzenlenmelidir. Öte yandan, birleşik MCF'ler de, birkaç öz birbirleriyle güçlü veya zayıf bir şekilde bağlaşım oluşturacak biçimde düzenlenir. Tekli enine modu ve çoklu enine modları destekleyen birleşik MCF'ler, yüksek güçlü fiber lazer uygulamaları için (bu bölümde daha sonra açıklandığı gibi) yoğun olarak rapor edilmiştir.
Bu tür fiberler geniş mod alanlı fiberler olarak kullanılabilirler. Birkaç süper modu destekleyen birleşik MCF' ler, mod bölmeli çoğullama tekniğiyle yüksek kapasiteli iletim için az sayıda mod taşıyan fiber olarak kullanılabilir (Saitoh, 2015). Ayrıca, MCF' ler homojen ve heterojen MCF' ler olarak ta sınıflandırılabilir. Homojen MCF' de, tüm özler birbirine özdeştir ve özden–öze mesafesi öz çapından daha yüksektir ki bu da yayılım mesafesi boyunca kabul edilebilir çapraz karışma (crosstalk) seviyesi sağlar. Heterojen MCF durumunda ise, tüm özler birbiriyle aynı değildir. Böylece aynı türden olmayan özler bitişik özler arasındaki çapraz karışmanın azaltılması sağlanır. MCF’ ler , tek modlu MCF, az modlu MCF ve çok modlu MCF olarak adlandırılabilirler. Şekil 3.1 (a) yukarıda açıklanan ve yakın zamanda üretilmiş olan MCF tiplerini özetlemektedir. Yukarıda belirtilen tüm MCF tiplerinin aynı zamanda basamak indisli MCF’ler olarak da bilindiği unutulmamalıdır. Bu tür fiberlerde bulunan bir özün kırılma indisi diğer özler ile aynı indis değerine sahip olmakla birlikte kılıf indisinden daha yüksektir. Şekil 3.1 (b) basamak indisli MCF'nin indis profilini göstermektedir.
26 (a)
(b)
Şekil 3.1 (a) Çok damarlı fiberin sınıflandırılması (b) basamak indisli MCF’nin indis profili (Saitoh ve Matsuo, 2013)
3.1 MCF Stratejileri
3.1.1 Hendek destekli MCF (TAMCF)
Yukarıda belirtilen MCF türlerine ek olarak, özler arasındaki çapraz karışma riskini daha da azaltmak için başka stratejiler de bildirilmiştir. Işığı fiber içinde güçlü hapsedebilme yeteneği ile birlikte hendek destekli bir MCF yapısı tanıtılmıştır (Ye vd. 2014). Bu tez çalışmasında, böyle bir özel MCF tipi daha sonra açıklanacağı gibi deneysel olarak kullanılmıştır.
27
Şekil 3.2, homojen yapılı TAMCF' nin kesit görünüşünün şematik bir diyagramını göstermektedir. Bu yapıda düşük kırılma indisine sahip hendek profilli özdeş yedi fiber damarı altıgen şeklinde düzenlenmiştir. W𝑡𝑟 kalınlığınızdaki katman ile düşük kırılma indisi hendek tabakasının mevcudiyeti sayesinde, fiber komşu özler arasındaki elektromanyetik alanların karışmasını basamak indisli MCF' göre yüksek oranda bastırılabilmektedir. Genel olarak, fiberin içine yerleştirilecek olan öz sayısı, tasarım parametrelerine ve istenen uygulamaya bağlıdır (Tu vd. 2012; Ye vd. 2016).
Şekil 3.2 Yedi özlü bir TAMCF ve kırılma indis profilinin kesit görüntüsünün şematik diyagramı
Şekil 3.2' de gösterildiği gibi, bir dış öz ile dış kaplamanın kenarı arasındaki mesafe olan Dış Kılıf Kalınlığı (DKK) mikro–bükülme kayıplarını azaltmak için 30 µm’ den daha yüksektir. Dış Kılıf çapı (Kç), kaplama içindeki fiber çapıdır. Homojen MCF durumunda, özler fiberin içerisinde ardışıl sıralanır ve aynı boyut ve kırılma indisi değerini paylaşır.
Bu özler, ışığı özün merkezine daha da çok toplamak için kalınlığı W𝑡𝑟 olan bir hendek tabakası ile çevrili olacaktır. Kılıf yarıçapı olan a2 ve hendek yarıçapı a3 öz yarıçapı olan a1’ den sırasıyla iki ve üç kez daha büyüktür. 𝑛ö𝑧, 𝑛𝑘𝚤𝑙𝚤f ve 𝑛ℎ𝑒𝑛𝑑𝑒𝑘 sırasıyla öz, kılıf ve hendek kırılma indisleridir. ∆1 ve ∆2 ise sırasıyla öz-kılıf ve kılıf–hendek nispi kırılma indisleridir. Özün merkezden merkeze kadar olan mesafesi öz periyodu Λ olarak isimlendirilir (Amma vd. 2015).
28 3.1.2 Delik destekli/delik çeperli MCF
Yüksek öz yoğunluğu elde etmek için delik destekli yapılar da geliştirilmiştir (Xia vd.
2012; Ziolowicz vd. 2014), Şekil 3.3 (a) böyle bir MCF’ nin kesit görünüşünü göstermektedir. Her bir özün etrafında hava delikleri, etkin alanı ve kesim dalga boyunu etkilemeden modu kuvvetlice sınırlandırmaktır. Bu durum, bitişik özler arasındaki mod kuplaj katsayısını azaltacak ve böylece çapraz karışma riskini en aza indirecektir. Hava deliği yapısına dayanan ve delik çeperli MCF olarak adlandırılan, başka bir MCF tasarımı da geliştirilmiştir. Bu tasarımda, hava delikleri Şekil 3.3 (b)' de gösterildiği gibi özler arasında bir duvar olarak düzenlenmiştir. Şekil 3.4, ardışıl sıralı iki öz ve her bir özü çevreleyen daha düşük bir kırılma indisine sahip katmanların indis profili gösterilmiştir.
Şekil 3.3 Yedi özlü MCF'nin kesit görünüşleri (a) Delik destekli yapı ve (b) delik çeperli yapı
Şekil 3.4 İki komşu özün kırılma indisi profilleri
29 3.2 MCF' lerin Uygulamaları
Çok özlü fiberlerin kompakt boyutları ve ortak kılıfa gömülü özlerin kararlı davranışları nedeniyle pekçok uygulamada etkili olduğu bildirilmiştir. MCF' lerin ortak kılıf katmanı sıcaklık veya titreşim gibi aynı çevresel değişikliklerden etkilenen her bir özden dolayı standart optik fiberler ile karşılaştırıldığında birçok uygulamada MCF' lerin daha duyarlı davrandığı gösterilmiştir. Aşağıdaki bölümde, literatürlerde yakın zamanda bildirilen farklı uygulamalarda MCF' ye dair genel bir bakış sunulmuştur.
3.2.1 Algılama uygulamaları
3.2.1.1 Kırılma indisi algılama
Kırılma indisi ölçümü için MCF' lerin kullanıldığı sensör çalışmaları yapılmıştır. Bu sensör tasarımlarında, MCF çok yollu Mach-Zehnder tipi girişimölçer (MZI) olarak işlev görür. Sensör yapısı, birkaç cm’ lik dört özlü fiberin (FCF) iki SMF arasına yerleştirimesi ile elde edilmiştir. Şekil 3.5 (a) ve (b), dört özlü SMF–FCF–SMF olarak tasarlanan sensör yapısı ve ışık yayılımını ile FCF'nin enine kesitinin şematik diyagramını göstermektedir.
Şekil 3.5 (a) SMF–FCF–SMF sensörünün şematik diyagramı ve (b) FCF ‘nin enine kesit görüntüsü (Li vd. 2016)
İki–yollu bir girişimölçer ile karşılaştırıldığında, çok yollu bir girişimölçer ile faz değişimine karşı daha yüksek ölçüm hassasiyetin elde edilebileceği bildirilmiştir. Li vd.
(2016) çalışmalarında geliştirdikleri FCF kullanan çok yollu–MZI sensörünü gliserol ve
30
su karışımında test etmişler ve sensörün maksimum Kİ duyarlılığı 91.39 nm/RIU olarak bildirmişlerdir.
C. Zhang vd. (2017), FCF'yi konikleştirerek önceki tasarımda sunulan sensör hassasiyetini bir miktar arttırmıştır. FCF boyu 17 ve 8 cm uzunluklu iki farklı konik SMF- FCF-SMF sensör ile ölçümlerde, konik uzunluğu arttıkça Kİ duyarlılığının arttığı bildirilmiştir. Maksimum Kİ duyarlılığı 171.2 nm/RIU olarak not etmişlerdir.
Kırılma indisi algılaması için yedi özlü fiber (SCF) kullanan bir Kİ sensörü de önerilmiştir (Kim vd. 2015). Konik SMF-SCF-SMF yapısındaki bu sensör için bel çapının duyarlılığa etkisi incelenmiştir. Bel çapının 50 µm’ den daha az olması durumunda kuplajın arttığı, bel çapı 30 µm kadar indirgenmesi durumunda merkez öz modunun diğer öz modlarına yeterince kublaj olabileceği yönünde önemli tespitler yapılmıştır. Sensör Kİ değeri 1.313- 1.320 arasında değişen farklı sıvılarda test edilmiş ve en yüksek Kİ duyarlığı 809.6 nm/RIU olarak bildirilmiştir.
Bir sonraki çalışmada, May–Arrioja ve Guzman–Sepulveda, (2017) yine yedi özlü fiber (SCF) kullanan bir Kİ sensörü önermişlerdir. Bu çalışmada, 1 cm’ lik SCF kimyasal aşındırma tekniği kullanılarak 41 µm' ye düşürülmüştür. Aşındırılmış SMF-SCF-SMF sensörü ile 1.4448-1.4476 Kİ aralığında maksimum elde edilen duyarlılık 1x104 nm/RIU olarak bildirilmiştir.
3.2.1.2 Sıcaklık algılama
MCF'ye dayalı sensörlerin en özel ve avantajlı taraflarından birisi de yüksek sıcaklıklara dayanabilmesidir. FBG tekniğine dayalı geleneksel sensörler sadece 200–300˚C sıcaklığa kadar dayanabilir. Bununla birlikte, bu ızgaraların daha karmaşık imalat yöntemleri ve pahalı ekipmanları vardır. Nükleer santraller ve petrol sondajı gibi yüzlerce santigrat dereceden daha yüksek sıcaklık ile zorlu ortam şartlarına dayanabilen sensör gerektiren pekçok endüstriyel uygulama vardır.
