Optik Fiber İnterferometrik Sensörlerde Propagasyon Analizi

Optik Fiber İnterferometrik Sensörlerde Propagasyon Analizi
Propagation Analysis in Optical Fiber Interferometric Sensors
N. Özlem Ünverdi 1
1
Öznur Türkmen 2
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul
2
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara
[email protected], [email protected]
Özetçe
Bu çalışmada, optik haberleşmenin temel taşlarından birisi
olan optik sensörler incelenmiş ve sınıflandırılması yapılarak
çalışma prensipleri açıklanmıştır. Optik fiber sensörlerin
bileşenleri irdelenmiş ve özellikleri değerlendirilmiştir. Fizik,
kimya ve biyomedikal gibi alanlarda uygulama alanı bulan
optik fiber sensörlerden Mach-Zehnder interferometrik
sensörü degerlendirilmiş, faz değişimi, Elastisite Teorisi
ışığında analiz edilmiş ve sensörün duyarlılığının
artırılmasında önemli olan parametreler belirlenmiştir.
Abstract
Optical sensors, one of the principal components of optical
communications, are studied, classified and their working
principles are explained. The components of optical fiber
sensors are discussed and their characteristics evaluated. The
Mach-Zehnder interferometric sensor, an optical fiber sensor
largely used in physics, chemistry and biomedical applications
is assessed, its phase variation analyzed in the light of the
Theory of Elasticity, and critical parameters are determined
for increasing the sensitivity of the sensor.
1. Giriş
Optik haberleşmede iletim ortamı olarak kullanılan optik
fiberlerin kullanımı, 1960’lı yıllardan günümüze kadar artarak
devam etmiştir. Optik fiberlerin, yüksek bant genişliği, düşük
gürültü, düşük kayıp, yüksek iletim hızı, elektromagnetik
girişimden etkilenmeme, elektriksel izolasyon kolaylığı ve
küçük boyut gibi birçok üstünlükleri vardır. Bu avantajlar,
haberleşme, bilgisayar yerel ağ bağlantıları, endüstriyel
otomasyon ve kontrol gibi birçok alanın yanısıra optik
fiberlerin, sensör uygulamaları için de tercih nedeni olmalarını
sağlamıştır.
Faz değişimine bağlı olarak algılama yapan
interferometrik sensörler, basınç ve sıcaklık değişimine
duyarlı elemanlardır. İnşaat mühendisliği disiplinindeki
yapılarda uzunluk değişimi ölçümü, su altı sistemlerindeki
hidrofonlarda ses ölçümü ve aerodinamik araştırmalarında
basınç ölçümü gibi alanlarda interferometrelerden yararlanılır
[1].
Bu çalışmada, Mach-Zehnder interferometrik sensörünün
analizi yapılmıştır. Çalışmanın 2. Bölümü’nde, optik fiber
sensörler ele alınarak kullanım amaçlarına göre çalışma
prensipleri açıklanmış ve 3. Bölüm’de, optik fiber sensörleri
meydana getiren bileşenler incelenmiştir. 4. Bölüm’de, MachZehnder interferometrik sensöründe faz değişimi analiz
edilmiştir. 5. Bölüm’de, elde edilen sonuçlar yorumlanarak
değerlendirilmiştir.
1-4244-0239-5/06/$20.00 ©2006 IEEE
2. Optik Fiber Sensörler
Elektronik sistemlerin çoğunda sensörler, kilit rol
oynamaktadır. Optik fiber sensörler, patlayıcı ve
elektromagnetik girişimden etkilenen olumsuz çevre
koşullarında kullanılmağa elverişlidir.
Optik fiber sensörlerin temeli, fiber boyunca hareket eden
optik sinyalde meydana gelen değişimleri gözlemlemeğe
dayanır [2,3]. Genel olarak bir monokromatik optik alan,
r
r r
r r
E (r , t ) = A(r , t ) e j (ω t + φ ( r ,t ))
(1)
formundadır. (1) eşitliği, ışık alanını tanımlamada kullanılan
r r
 r r 2
polarizasyon, genlik ( A(r , t ) ) ya da yoğunluk  A( r , t )  ,


r
frekans  f = ω  ya da dalga boyu ( λ ) ve faz ( φ (r , t ) )
2π 

olmak üzere dört önemli parametreyi ifade eder. Dışsal etki ile
bu parametrelerde meydana gelen değişim algılanarak dışsal
etkinin miktarı belirlenir. Parametrelerdeki değişimin
miktarını doğru olarak ölçmek ve değerlendirmek optik sensör
güvenilirliği için çok önemlidir.
Optik fiber sensörler, modülasyon ve demodülasyon işlem
türüne göre, yoğunluk temelli, polarizasyon temelli, faz
temelli ve frekans temelli optik fiber sensörler olarak dört
gruba ayrılır. Optik disiplininde, faz ya da frekans algılaması,
interferometrik teknik olarak adlandırılır. Algılama
mekanizması faz değişimi olan optik fiber interferometrik
sensörler, çoğu sensör yapısına göre karmaşık yapıdadır ve
yüksek çözünürlük gerektiren uygulamalar için iyi bir
performans sunmaktadır. Optik interferometrik sensörlerin
duyarlılığı ve çözünürlülüğü, yoğunluk ve polarizasyon
temelli sensörlerden daha iyidir [2].
Optik fiber sensörler, uygulama alanlarına göre, sıcaklık
ve basınç ölçümünde kullanılan fiziksel sensörler, gaz analizi
ve pH ölçümünde yer alan kimyasal sensörler ve biyolojik
işaretlerin gözlenmesinde yararlanılan biyomedikal sensörler
olarak sınıflandırılır.
Optik fiber sensörler, modülasyon bölgesine göre ise, içte
etkileşimli (intrinsic) ve dışta etkileşimli (extrinsic) sensörler
olmak üzere iki grupta incelenir [4]. Dışta etkileşimli
sensörlerde, algılama fiberin dışında gerçekleşir. Burada
fiberin asıl görevi, ışığı verimli bir şekilde istenen formda
algılama bölgesine ulaştırmaktır. İçte etkileşimli optik fiber
sensörler ise, çevresel etkiyle ışığın modülasyonunu fiber
içinde ölçerler. Bu tür sensörlerde, algılamayı gerçekleştirmek
için optik fibrin çekirdek bölgesinin yapıldığı camın
kimyasından
yararlanılır.
Burada
kullanılan
temel
mekanizmalar, soğurma, saçılma, fluor ışıma, yansıma
katsayısındaki değişim ve polarizasyondur. Şekil 1’de içte
etkileşimli sensörlerin çeşitleri yer almaktadır [5,6].
İçte etkileşimli optik
fiber sensörler
Mikrobükülme
sensörleri
Siyah gövde
sensörleri
İnterferometrik
sensörler
Dağıtılmış
sensörler
Şekil 1: İçte etkileşimli optik fiber sensörler.
3. Optik Fiber Sensör Bileşenleri
Şekil 2’de görüldüğü gibi, bir optik fiber sensör, ışığı
modülasyon bölgesine taşıyan optik fiberi uyaran ışık kaynağı,
optik sinyal ile ölçülecek büyüklük arasında etkileşimin
meydana geldiği modülasyon bölgesi ve modüle edilmiş olan
ışık sinyalinin elektriksel sinyale dönüştüğü dedektör olmak
üzere üç ana kısımdan meydana gelir.
Optik
Kaynak
Modülasyon
Bölgesi
Optik fiber
Dedektör
Optik fiber
Ölçülecek
Büyüklük
tarafından aletin yapıldığı maddenin optik özelliklerinin
değiştirilmesi ile modüle edilir. Kontrol sinyali, elektrooptik,
akustooptik ve magnetooptik mekanizmaları aracılığıyla
maddenin özellikleri ile ilişkilendirilir. Bulk, entegre optik ve
fiber modülatörler olmak üzere üç tip temel katı hal optik
modülatörü vardır [6].
Optik dedektörler, yer aldıkları optik haberleşme
sisteminin performansını yönlendiren elemanlardan birisidir;
görevleri, alınan optik sinyali elektriksel sinyale
dönüştürmektir. Sistem içindeki önemli yerinden dolayı
dedektörler, çalıştığı dalga boyunda yüksek duyarlılık, alınan
optik sinyale büyük elektriksel cevap verme, kısa cevap
zamanı, minimum gürültü, durağan performans karakteristiği,
küçük boyut, düşük fiyat ve yüksek güvenilirlik gibi
özelliklere sahip olmalıdır. Optik dedeksiyon için bu
özellikleri en iyi şekilde karşılayanlar, yarı iletken
fotodiyotlardır. Optik haberleşmede yaygın olarak kullanılan
yarı iletken fotodiyotlar, PIN (Positive-Intrinsic-Negative)
diyotlar ve APD (Avalanche photodiode, çığ etkili foto
diyotlar) dir [8].
4. Optik Fiber İnterferometrik Sensörlerde
Faz Değişimi Analizi
Optik sensörler, çevresel bir etkiye cevap olarak optik sinyali
modüle eden aletlerdir ve birçok çeşidi mevcuttur. Burada,
yüksek duyarlılık gerektiren uygulamalarda kullanılan optik
interferometrelerin çalışma prensipleri incelenmiştir. Optik
interferometrik sensörler, uzun zaman boyunca meteorolojik
uygulamalar ile ilişkilendirilmiştir. Tek modlu optik fiber ve
sensör bileşenlerindeki ilerlemeler, bu tip sensörlerin
uygulama
alanını
genişletmiştir
[7].
Günümüzde
interferometri tekniği, hidrofon, magnetometre, basınç aletleri,
gerilme sensörleri ve termometre gibi birçok ölçme aletinde
kullanılmaktadır. Elastisite Teorisi yardımıyla analiz edilen
interferometrik sensörün çalışma prensibi, tek modlu fiberden
çıkan ışığın fazındaki değişimi algılama üzerine kurulmuştur
[2,9].
Sensördeki faz değişimi,
(2)
Şekil 2: Bir optik fiber sensör yapısının genel gösterimi.
∆Φ = ∆Φ L + ∆Φ n + ∆Φ g
Işık kaynağının temel görevi, elektriksel enerjiyi ışık
enerjisine dönüştürmektir. Başka bir deyişle, bu kaynaklar,
optik fiber sensörlere ışık sağlamak için kullanılır. Yarı iletken
optik fiber sensörler boyut, maliyet, güç tüketimi ve
güvenilirlik açısından en iyi avantajı sağlar [4,7]. Bu yüzden
LED (Light Emitting diode, ışık yayan diyot) ve LD (Laser
diode, uyarılmış ışığı salınım ile çoğaltan diyot) tipi yarı
iletken ışık kaynakları, optik fiber sensör uygulamalarında
yaygın olarak kullanılır. LD’lar, interferometrik sensörler için
gerekli olan yüksek yoğunluklu ışık yayma, ışığı iyi bir
şekilde odaklayabilme, yüksek modülasyon genişliğine sahip
olma ve eş fazlı radyasyon yayma gibi özelliklere sahiptir.
Buna karşın, LD’lara göre LED’ler daha uzun ömürlüdür,
daha ucuzdur ve ısıya karşı daha az duyarlıdır. Yüksek
performanslı Mach Zehnder ve Fabry-Perot tipi optik fiber
sensörler tek modlu LD’larla kullanır.
Optik modülatörler, optik fiber sistemlerde faz, genlik,
frekans ve polarizasyon modülasyonu gibi değişik
fonksiyonları yerine getiren elamanlardır ve katı hal elamanı
olarak görev yaparlar. Işık, elektriksel kontrol sinyali
olarak ifade edilir. Buradaki terimler, sırasıyla fiberin
boyunda, kırılma indisinde ve dalga kılavuzu geometrisinde
meydana gelen değişimin faz üzerindeki etkisini ifade eder.
Faz değişimi, Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot ve
Sagnac formları gibi interferometri teknikleri kullanılarak
yoğunluk değişimine dönüştürülür. Şekil 3’de Mach-Zehnder
interferometresi görülmektedir [7].
Işık
kaynağı
Doğrultu
kuplörü
Algılayıcı
fiber
Doğrultu
kuplörü
Dedektör
Referans
fiber
Şekil 3: Mach-Zehnder interferometrik sensör yapısı.
Serbest uzaydaki dalga sayısı k 0 olmak üzere, L
uzunluğundaki ve n çekirdek kırılma indisli bir fiber boyunca
hareket eden β propagasyon sabitli ışığın faz değişimi,
(3)
Φ = βL = k 0 nL
iken, basınç gibi dışsal bir etki ile meydana gelen faz
değişimi,
∆Φ = β ∆L + L ∆β
(4)
dır [10]. Burada, fiberin boyundaki değişimin etkisini gösteren
ilk terim, ξ z , z doğrultusunda meydana gelen birim şekil
algılama mekanizması olan faz farkının, dalga boyu, kırılma
indisi ve fiber çapına göre değişimleri, sırasıyla Şekil 4, Şekil
5 ve Şekil 6’da yer almaktadır [2]. İnterferometre tasarımında
parametrelerin, duyarlılığı artırmak amacıyla yüksek faz
değişim miktarı elde edecek şekilde seçilmeleri esastır.
x10-4
Ym=5x 1010
 Rad 
∆Φ

 Pa ⋅ m 
Ym=7x 1010
Ym=9x 1010
değiştirme, η, Poisson oranı, Ym , çekmedeki elastisite modülü
(Young modülü) ve Ps , uygulanan gerilim olmak üzere,
(5)
β ∆L = β ξ z L = − β (1 − 2 η ) L Ps / Ym
dir. Propagasyon sabitindeki değişimin etkisini gösteren ikinci
terim ise,
L ∆β = L
dβ
dβ
∆n + L
∆D
dn
dD
(6)
dir. Burada, n, kırılma indisi ve D, fiberin yarıçapıdır. Çap
değişiminden dolayı meydana gelen propagasyon değişimi çok
küçük olduğu için ihmal edilebilir. Fotoelastik etki göz önüne
alınarak, kırılma indisi nedeniyle meydana gelen değişim,
6
 1 
 =
Ps ξ j
∆

 n 2  i j =1 ij
∑
(7)
Şekil 4: Çekmedeki elastisite modülünün farklı
değerleri için, faz farkının dalga boyuna göre
değişimi.
x10-5
 Rad 
∆Φ 

 Pa ⋅ m 
olarak belirlenir. Burada, Ps , fotoelastik tensör, ξ j ise, birim
ij
n
şekil değiştirme tensörüdür. Optik fiberin izotropik camdan
yapıldığı durumda, ξ x = ξ y = ξ z ’dir ve sadece p11 ve p12
fotoelastik sabitleri mevcuttur [2].
Birim fiber uzunluğu ve birim basınç başına optik faz
değişimi,
∆Φ
β ( 1− 2η
=−
Ps L
Ym
+
−
k0 n
3
)
( ps
11
+ 2 ps
12
2 β Ym
)( 1 − 2 η )
η 2=0.25
η 3=0.33
Şekil 5: Farklı Poisson oranı değerleri için, faz farkının
kırılma indisine göre değişimi.
 Rad 
∆Φ

 Pa ⋅ m 
db
η 1=0.17
(8)
D 2 dV
şeklinde elde edilir [10]. Burada, V, modal parametre
(normalize frekans) ve b, normalize efektif mod indisidir.
D = 10 ( µm ) , n = 1.456 , η = 0.17 , ps = 0.17 , p s = 0.27 ,
11
λ = 0.6328 ( µm ) , V = 2.4 ,
η 1=0.17
x10-5
2 Ym
( 1 − 2 η )V 3
db
= 0.5 ,
dV
x10-6
λ(m)
12
L = 1 ( m ) ve
Ps = 1 ( Pa ) değerleri için, optik interferometrik sensörlerin
η 2=0.25
η 3=0.33
D(m)
x10-6
Şekil 6: Farklı Poisson oranı değerleri için, faz farkının
yarıçapa göre değişimi.
5. Sonuçlar
Optik fiberler, sağladığı önemli avantajlardan dolayı birçok
alanda olduğu gibi, sensör uygulamaları için de tercih
edilmektedir. Bu çalışmada, Elastisite Teorisi ışığında, faz
değişimine bağlı olarak algılama yapan Mach-Zehnder
interferometrik sensörü incelenmiştir.
İnterferometre tasarımında, duyarlılığı artırmak için,
parametrelerin, yüksek faz değişim miktarı elde edecek
şekilde seçilmeleri gerektiği belirlenmiştir. Analizde, faz
farkının, dalgaboyuna göre değişiminin, artan çekmedeki
elastisite modülü (Young modülü) değerlerine göre arttığı,
çekirdek bölgesinin kırılma indisi ve çapına göre
değişimlerinin ise, artan Poisson oranı değerlerine göre arttığı
görülmüştür.
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
6. Kaynakça
[1]
[2]
Sadiku M. N. O., Optical and Wireless
Communications, CRC Press, New York, 2002.
Türkmen Ö., Optik Dalga Kılavuzlarının Propagasyon
Özelliklerinin İncelenmesi ve Optik Kuplör ile Optik
[9]
[10]
Sensör Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2005.
Yu, F., Yin, S., Fiber Optic Sensors, Marcel Dekker,
New York, 2002.
Udd, E., Fiber Optic Smart Structures, Wiley
Interscience, New York, 1995.
Krohn, D. A., Fiber Optic Sensors Fundamentals and
Applications, Instrument Society of America, USA,
1992.
Udd, E., Fiber Optic Sensors: An Introduction for
Engineers and Scientists, Wiley Interscience, New
York, 1991.
Lopez-Higuera, J. M., Handbook of Optical Fiber
Sensing Technology, John Wiley & Sons, New York,
2002.
Senior J. M., Optical Fiber Communications, Second
Edition, Prentice - Hall, Cambridge, 1992.
Goodier E.N., Timoshenko S., Elastisite Teorisi (Çev.,
Kayan İ. ve Şuhubi E.), Arı Kitabevi, İstanbul, 1969.
Hocker G. B., “Fiber Optic Sensing of Pressure and
Temperature”, Applied Optics, vol. 18, no.9, 1979, p.
1445-1448.