Optická vazba a měření optických komponent pro aplikaci PoF (Power over Fiber)

Abstract

Cílem práce je navrhnout a prakticky ověřit metody vazby rozdílných typů optických vláken, pro přenos optického záření určeného pro napájení vzdáleného zařízení. Spojovaná vlákna se liší průměry jader, profily indexu lomu a numerickými aperturami. Jako vstupní vlákno je uvažováno FG105LCA 105/125 μm (jádro/plášť) se skokovou změnou indexu lomu. V práci jsou navržené a v prostředí BeamPROPRsoft simulované metody vazby využívající kónicky se sužujícího vlákna (taperové přechody) a vazby pomocí vláken s dvojitou plášťovou strukturou (DCF). Také zde byla navržena a simulována vazba pomocí soustavy čoček. Návrhy byly optimalizovány pro vlnovou délku 980 nm. V rámci měření byly vytvořeny a měřeny vzorky využívající taperových přechodů a DCF vláken. Taperované přechody byly vytvořeny pomocí zařízení VytranTM GPX-3000. Naměřené účinnosti vazby vzorků s taperovými přechody a vzorků s úseky DCF vláken byly porovnány se vzorky přímo navařených vláken a dále pak se vzorky využívají konektorové spoje. Vzorky s nejvyšší naměřenou činností byly porovnány s komerčně dostupným taperem dodaným firmou MH GoPower. Výstupy simulace čočkové vazby byly porovnány s komerčně dostupným řešením – čočkovým konektorem firmy OZ Optics. V rámci práce je také měřena účinnost vazby u experimentálního otočného konektoru SPINNER. V závěru praktické části byly měřeny vlastnosti výkonových rozbočnic a jednoduchého systému WDM pro systémy Power over Fiber. U vzorků využívajících úseky DCF vlákna do 1 metru se neprokázalo zlepšení účinnosti vazby. Dle naměřených hodnot je nejúčinnějším způsobem vazby pro vzorky využívající navazující vlákno se skokovou změnou indexu lomu (např. vlákno FG050LGA nebo Molex 50/70 μm) čočkový konektor od OZ Optics s útlumem spoje -0,8 až -0,9 dB. Pro situace, kdy je navazované vlákno s gradientním profilem indexu lomu, byl naměřen nejnižší útlum -4,87±0,49 dB při vlnové délce 980 nm u vzorku 16 (FG105LCA/taper(105/125 → 50/59)/OM2). Pro situace, kdy je navazováno vlákno s gradientním profilem indexulomu se jeví použití vláknového přechodu jako výhodnější, neboť čočkový konektor vykazoval při vazbě odpovídajících vláken útlum -14,1 až -15,8 dB. Účinnost vazby u otočného konektoru v měřeném intervalu otáček byla -0,89±0,13 dB oproti referenčnímu vláknu. Hlavním výsledkem předložené diplomové práce je návrh a ověření účinnosti optické vazby mezi optickým vláknem s průměrem jádra 105 μm do optických vláken s menším průměrem jádra. U jednotlivých vzorků jsou změřeny spektrální charakteristiky a účinnost vazby. Výsledné účinnosti vazby jsou navzájem porovnány a je diskutován druh vazby s nejvyšší účinností.

The purpose of this thesis is to suggest and check different types of optical fibers joints methods used for transmitting highly power optical radiation for power supply of remote devices. Optical fibers are different in cores diameters, profiles of refractive index and numerical apertures. The fiber FG105LCA 105/125 μm (core/cladding) with step index profile is consider like input fiber in this thesis. There are designed and simulated methods of couplings in BeamPROP-RSoft environment with interfaces which used conical tapering fibers (taper couplers) and with double clad fibers (DCF) and. There was also designed and simulated coupling which uses a system of lenses. The designs were optimized for a wavelength of 980 nm. There were created and measured samples which use taper couples for measurement purposes and DCF fibers. Tapered couplers were created by VytranTM GPX-3000 device. Measured efficiency of samples using tapers couplers or DCF parts were compared with samples directly coupled fibers and then with samples using connector couplers. Samples with the highest efficiency were compared with commercially available taper supplied by the company MH GoPower. Simulations outputs of the lenses coupling were compared with Oz Optics lens connector. In this thesis there is also measured the efficiency of experimental SPINNER spin connector. In the conclusion of practice part there were measured optical splitters and simple WDM systems for Power over Fiber system measured. There weren’t observed improvements of coupling efficiency at samples which use parts of DCF fibers. According to measured values, the most effective way of coupling for samples which use step index fibers (for example FG050LGA or Molex 50/70 μm) is using OZ Optics lens connector with coupling insertion lost from -0,8 to -0,9 dB. In cases with joined fibers with gradient refractive index profile, the lowest measured lost was -4,81±0,49 dB at wavelength 980 nm at the sample 16 (FG105LCA/taper(105/125 → 50/59)/OM2). In cases when gradient fibers are joined the taper fiber couple seems to be the best way because of OZ Optics lens connector has coupling attenuation from -14,1 to -15,8 dB. The coupling efficiency by the SPINNER FORJ spin connector in measured round range has attenuation -0,89±0,13 dB in comparison with reference fiber. The main result of the presented thesis is the design and verification of the efficiency of optical coupling between optical fibers with a core diameter of 105 μm to optical fibers with smaller core diameter. Spectral characteristics and coupling efficiency at the individual samples have been measured. Results coupling efficiencies have been compared and the types of couplings with highest efficiency are being discussed.