1 WERKINGSPRINCIPE In dit hoofdstuk komen de werking principes van glasvezelsensoren. Zo wordt de werking van de FBG datalogger verduidelijkt. 1.1 Glasvezel 1.1.1 Geschiedenis In 1870 gebruikte John Tyndall een waterstraal die vloeide uit een ton en die terecht kwam in een andere ton om aan te tonen dat lichtstralen afbuigen. Toen het water uit de bovenste ton kwam, stuurde Tyndall een lichtstraal door de opening. Hij stelde vast dat de lichtstraal een zigzagweg aflegde. De lichtstraal maakt gebruik van interne reflectie om de specifieke weg af te leggen. Dit eenvoudige experiment is duidelijk op volgende figuur weergegeven. Dit is dan ook het begin van het onderzoek van geleide transmissie door licht. De experimenten werden doorgezet door onder andere Alexander Graham die de photo phone uitvond, een optisch systeem om stemtransmissie uit te voeren. Deze technologie staat beter bekend als free-space optical. In 1950 werd voor het eerst gebruik gemaakt van glasvezel om het licht te transporteren. Toen in 1960 de eerste laser werd uitgevonden en deze sterk werd verbeterd in de jaren 60 70, mede door de opkomst van halfgeleiders, werden in de late jaren 70 en de vroege jaren 80 in de hoofdtelefooncentrales glasvezelsystemen geïnstalleerd. Door de stijgende opkomst van grote bandbreedte voor internettoepassingen word veelvuldig gebruik gemaakt van de glasvezel - techniek. 1.1.2 Soorten Fig. 2.1 experiment van John Tyndall De glasvezel is een dunne buigzame draad van glas, waarin een lichtbundel zich kan voortplanten. De glasvezel bestaat uit een kern (core) met een bepaalde brekingsindex met daar rond een bekleding (cladding) met een andere breking - index. Dit verschil in brekingsindex zorgt ervoor dat de lichtstraal binnen deze kern
gereflecteerd wordt. Bij de glasvezel kan men een onderscheid maken tussen drie typen: step-index multimode, step-index singlemode en graded-index multimode. 1.1.2.1 Step-index multimode vezel De multimode vezels hebben een relatief grote kerndiameter, tussen de 50 en 100 micrometer, en een claddingdiameter tussen de 120 en 200 micrometer. Deze afmetingen zijn zowel geldig voor de step-index multimode vezel als voor de gradedindex multimode vezel. Door deze relatief grote kerndoorsnede kunnen er meerdere lichtstralen onder verschillende hoeken de kabel binnentreden. Hierdoor ontstaat er verstrooiing van licht in de kern. Bij digitale signalen heeft dit tot gevolg dat een signaalpuls aan het einde van de kabel breder is dan de verzonden signaalpuls. Met het gevolg dat een beperkte bandbreedte mogelijk is (ongeveer 200 MHz). De demping van de kabel ligt in de ordegrootte van 10 tot 50 db per km, wat veel is. 1.1.2.2 Graded-index multimode vezel De graded-index multimode kabel heeft een kern waarvan de brekingsindex van binnen naar buiten afneemt. Het gevolg is dat het ingestraalde licht ook afbuigt. De afstand die een lichtstraal langs de randen aflegt is groter dan de afstand van de lichtstraal die door het hart van de kern gaat. Daar staat tegenover dat de brekingsindex van het glas in het hart groter is. Door de lagere brekingsindex zal de snelheid van het licht langs de randen groter zijn dan in het hart van de kern. Bij dit type kabel treedt er geen pulsverbreding op. Deze kabel heeft een bandbreedte van 200 MHz tot 3 GHz en een demping van 7 tot 15 db per kilometer. 1.1.2.3 Singlemode vezel De singlemode vezel heeft een zeer kleine diameter van 6 tot 9 micrometer en een cladding van 125 micrometer. De lichtstralen kunnen daardoor slechts recht de kabel binnentreden. Hierdoor ontstaat er in de kabel geen verstrooiing van het licht, en treedt er geen pulsverbreding op. De bandbreedte bij een singlemode vezel kan oplopen tot verschillende tientallen GHz over tientallen kilometer. Men spreekt dan over een bandbreedte van 3 tot 50 GHz. Bij dit type van vezel varieert de demping van 0,2 tot 2 db per kilometer. Voor de toepassingen in het labo gebruikt men een singlemode vezel waarvan de kern is samengesteld uit glas. Fig. 2.2 vezel De core is van ordegrote 5 9 µm, de clading is 125 µm en de buffer 250µm
Fig. 2.3 transmissie in een glasvezel 1.1.3 Verliezen Wanneer het licht zich in de glasvezel gaat voortbewegen, treedt er verlies op van zijn intensiteit. Men streeft ernaar om kabels te gebruiken die een zo klein mogelijke demping geven aan het signaal. Men gebruikt bijgevolg de singlemode vezel waardoor de demping varieert tussen 0,2 en 2 db per kilometer. De grootste oorzaak van deze verliezen zijn de onzuiverheden in het glas die het licht gaan absorberen en verstrooien. Deze strooiverliezen nemen proportioneel af bij toenemende golflengte. Men tracht dan ook om gebruik te maken van een zo zuiver mogelijke glasvezel. Een andere bron van verlies in de vezel is de buiging van de vezel. Deze buiging geeft aan het licht de mogelijkheid om de kern te verlaten en over te gaan in de cladding. Hoe kleiner de buigingsstraal, des te groter de verliezen. Hierdoor is het aan te raden om de buigingsstraal steeds groter te nemen dan 30mm. Ten slotte is de golflengte van het licht tevens verantwoordelijk voor de demping van het signaal. De absorptie varieert namelijk met de verschillende golflengtes. Voor een golflengte van 850 nm zijn de verliezen 4-5 db per kilometer. Bij 1300 nm neemt het verlies af tot 3 db per kilometer. De golflengte waarmee men gaat werken ligt rond de 1550 nm. Deze golflengte is ideaal voor het doorzenden van het licht over lange afstanden omdat de verliezen beperkt blijven tot minder dan 1dB per kilometer.
1.1.4 Eigenschappen De glasvezel heeft superieure kwaliteiten ten opzichte van netwerken met koperkabels. Hieronder worden de belangrijkste eigenschappen van glasvezel opgesomd. Voordelen: Nadelen: - Een grotere overdrachtscapaciteit en getrouwheid dan bij koperdraad of coaxkabel, - Is volledig immuun tegen praktisch alle soorten van storingen (EMC). - Niet onderhevig aan corrosie, - Bij het transporteren van licht door de glasvezel is er op geen enkel moment gevaar voor vonkvorming, zelfs in de meest explosieve omgeving is er geen risico op vuur. Geen gevaar voor elektrocutie, - De smelttemperatuur van glas ligt op 1000 C. - Passief element - Goedkoop - Zonder de coating, fragiel, - Het aan elkaar lassen (splice) van glasvezels en het aansluiten van de kernen op connectoren vraagt nog steeds de nodige vaardigheid en kennis 1.1.5 Vezelconnecties Wanneer je glasvezels aan elkaar of aan connectoren gaat koppelen, is het uiterst belangrijk dat de vezeluiteinden bestaan uit een rein, vlak oppervlak loodrecht op de as van de vezel. Dit kan je bekomen door de vezel te klieven. Dit is een procedure waarbij je eerst de beschermlaag moet verwijderen en een kras moet maken op het oppervlak. Hierdoor creëer je een zwak punt waardoor je de vezel gemakkelijk kan breken. De kras breng je aan door middel van een apparaat dat voorzien is van een slijpwieltje met een diamantbekleding. Let op dat de vezel niet vuil wordt. Om de vezelvlakken correct aan elkaar te zetten, zijn er twee methodes: verlijmen en lassen. Als je vezels verlijmt, zijn nog enkele variaties mogelijk om beide vezeleinden exact aan te sluiten en ze dan met optische lijm duurzaam te hechten. Lijmverbindingen zijn technisch minder omslachtig dan lasverbindingen maar veroorzaken wel iets grotere overgangsverliezen. Om vezels op een snelle en flexibele manier met elkaar te verbinden, maakt men gebruik van connectoren. Deze zijn meestal gebaseerd op ferrules. Dit zijn
cilindrische of conische stukken metaal voorzien van een centrale holte, waar de vezel precies in past. De ferrules passen op hun beurt in de connectorblokken, zodat de vezels in de ferrules exact over elkaar uitkomen. Een groot assortiment aan connectoren is mogelijk. Fig. 2.4 Klieven van glasvezels 1.1.5.1 Lijmverbinding Fig. 2.5 Vezelconnectoren Bij een lijmverbinding wordt een lijmstof tussen beide vezeluiteinden aangebracht. De lijm gaat de verbinding verstevigen en deze ook volledig omsluiten. Meestal gebruik je een glazen buisje om de uiteinden correct te lijmen. Bij deze methode plaats je de vezeluiteinden tegen elkaar en omsluit je dit met het buisje. Via een kleine trechtervormige opening dien je de lijm in het nauw omsloten buisje toe. Fig. 2.6 Lijmverbinding De lijmverbinding wordt stilaan verdrongen door de thermische verbinding. Nochtans bewijst het zijn nut nog steeds in toepassingsgebieden waar er geen vonk mag gemaakt worden. 1.1.5.2 Gelaste vaste verbinding Gelaste verbindingen, die men ook splicen noemt, zijn nodig wanneer een uiterst minimale overgangsdemping vereist is. Deze demping kan tot minder dan 0.1 db per connectie gaan. Je maakt hierbij gebruik van automatische lasapparatuur welke
steeds voor een kleinere verbindingsdemping zorgen. Via nauwkeurige cameraatjes is het mogelijk de twee uiteinden te verbinden. Bij deze procedure is het noodzakelijk dat er een extra smelttemperatuur opgewekt wordt die door een lichtboog wordt bereikt. Je kunt het technische verloop voor de aanmaak van een lasverbinding volgen aan de hand van figuur 2.8. Nadat je de buitenmantel hebt verwijderd, maak je een kras in de vezel. Met behulp van het krastoestel, breekt deze dan ook. Nu dien je de vezel in de v-groef van het lasapparaat in te spannen en het lasproces te starten. Met behulp van xyz-micromanipulatoren gaat het lasapparaat de vezels tegen elkaar plaatsen. Dit kan je ook volgen op de camera. Het lasproces duurt maar enkele seconden. Afhankelijk van de dikte van de fiber worden de uiteinden dicht bij elkaar gebracht en verhit. Door de vervorming en uitzetting smelten de 2 vezels aan elkaar. Om de las te beschermen, breng je na het lassen een omhulsel aan. Als je vezels gaat lassen, is de lichtboogtemperatuur en de tijdsduur van uiterst belang. Fouten hierbij leiden tot een verkeerde splice. Je krijgt hierdoor een groot vermogenverlies. Fig. 2.7 Lasapparatuur met camera
Fig. 2.8 Lasprocedure