The computer application for the mathematical modeling of optical fibers used in metrology based on Newton polynomial interpolation

• Autorzy: Torbus Sławomir Andrzej , Kozakiewicz Michał

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.10.03

Warianty tytułu

PL

Komputerowa aplikacja do matematycznego modelowania włókien światłowodowych stosowanych w metrologii wykorzystująca interpolację wielomianową Newtona

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper proposes an original application enabling the design of single mode and multimode optical fibers of selected refractive index profiles. It can be used to determine the parameters of optical fibers used in the construction of optical sensors and measuring converters, as well as optical fiber telemetry systems. The developed application uses in its operation a set of mathematical formulas available in scientific studies, as well as Newton polynomial interpolation. They have been presented and discussed in this study to demonstrate the suitability of the application in determining the values of parameters such as: molar concentration of germanium GeO2 in the core, Verdet constant, refractive index in the core and cladding, cutoff wavelength. Tests of the developed application were carried out for telecommunications fibers commonly available and used in metrology (single mode and multimode). The obtained results were compared with the generally available test results of these fibers. This allowed for the formulation of conclusions regarding the accuracy of the calculations performed by the application and the correctness of its operation.

PL

W artykule zaproponowano autorską aplikację umożliwiającą projektowanie światłowodów jednomodowych i wielomodowych o wybranych profilach współczynnika załamania światła. Może ona służyć do wyznaczania parametrów światłowodów wykorzystywanych do budowy optycznych czujników i przetworników pomiarowych, a także światłowodowych systemów telemetrycznych. Opracowana aplikacja wykorzystuje w swoim działaniu zestaw wzorów matematycznych dostępnych w opracowaniach naukowych, a także interpolację wielomianową Newtona. Zostały one przedstawione i omówione w niniejszej pracy w celu wykazania przydatności aplikacji do wyznaczania wartości parametrów takich jak: stężenie molowe germanu GeO2 w rdzeniu światłowodu, stała Verdeta, współczynnik załamania światła w rdzeniu i płaszczu, długość fali odcięcia. Testy opracowanej aplikacji przeprowadzono dla światłowodów telekomunikacyjnych (jednomodowych i wielomodowych) powszechnie dostępnych I stosowanych w metrologii. Uzyskane wyniki porównano z ogólnie dostępnymi wynikami badań tych włókien. Pozwoliło to na sformułowanie wniosków dotyczących dokładności obliczeń wykonywanych przez aplikację oraz poprawności jej działania.

Słowa kluczowe

EN

application for designing; application for visualizing optical fiber; Newton polynomial interpolation; optical fiber sensor; measurement transducer; measurements of electrical and non-electrical quantitie; photosensitive fiber

PL

aplikacja do projektowania; aplikacja do wizualizacji światłowodów; interpolacja wielomianowa Newtona; światłowodowy czujnik; światłowodowy przetwornik pomiarowy; pomiar wielkości elektrycznych; pomiar wielkości nieelektrycznych; włókno fotouczulone

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 10
• Strony: 16--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Torbus Sławomir Andrzej

• Kazimierz Wielki University in Bydgoszcz, Institute of Mathematics, al. Powstańców Wielkopolskich 2, 85-090 Bydgoszcz

• https://orcid.org/0000-0002-1594-6953

autor

Kozakiewicz Michał

• Kazimierz Wielki University in Bydgoszcz, Institute of Mathematics, al. Powstańców Wielkopolskich 2, 85-090 Bydgoszcz

Bibliografia

• [1] Opilski A., Czujniki Światłowodowe, I Krajowa Szkoła Optoelektroniki, Unieście (1987) .
• [2] Tumański S., Czujniki pola magnetycznego – stan obecny i kierunki rozwoju, Przegląd Elektrotechniczny Nr 2 (2004)
• [3] Nakielna P., Czerwiec J., Czujniki magnetyczne wykorzystujące efekt Faradaya, Uniwersytet Jagielloński, Instytut Fizyki, Zakład Fotoniki, Kraków (2007)
• [4] Yariv A., Yeh P., Optical Waves in Crystals, JohnWiley & Sons, New York (1984)
• [5] Torbus S. A., Wpływ stężenia molowego domieszki GeO2 w rdzeniu światłowodu wielomodowego na rozdzielczość temperaturową rozłożonego czujnika temperatury z wymuszonym rozproszeniem Ramana, Przegląd Elektrotechniczny Nr 3 (2019)
• [6] Torbus S. A., Tota J., Janikowski Ł., Optical fiber telemetry link to transmission of measuring signals, Przegląd Elektrotechniczny Nr 5 (2018)
• [7] Grattan K. T. V., Meggit B. T., Optical fiber sensor technology, Kluver Academic Publisher, Bosto (2000)
• [8] Yu F. T. S., Yin S., Fiber optic sensors, Marcel Dekker Inc., New York (2002)
• [9] Torbus S.A., Zastosowanie światłowodów telekomunikacyjnych G.652, G.653 i G.655 w polarymetrycznych czujnikach natężenia prądu, Pomiary Automatyka Kontrola Nr 5 (2011)
• [10] Torbus S. A., Ratuszek M., Zastosowanie jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych odpornych na zginanie G.657do realizacji cewki pomiarowej polarymetrycznego czujnika natężenia prądu, Przegląd Elektrotechniczny Nr 4a (2012)
• [11] Torbus S. A., Fajfer M., Ratuszek M. J., Projektowanie jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych odpornych na zginanie G.657 dla celów metrologicznych, Przegląd Elektrotechniczny Nr 8 (2013)
• [12] Torbus S. A., „Current – polarization-dependent loss” optical fibre sensor, Przegląd Elektrotechniczny Nr 5 (2019)
• [13] Majewski A., Teoria i projektowanie światłowodów, WNT, Warszawa (1991)
• [14] Shimosato M., Kozuka Y., Imaeda M., Magnetooptic Current Field Sensor with Sensivity Independent of Verdet Constant and Light Intensity, IEEE Translation Journal on Magnetic in Japan, Vol. 6, No. 5 (1991)
• [15] Ryaben'kii V. S., Tsynkov S. V., A Theoretical Introduction to Numerical Analysis, Chapman & Hall/CRC, Taylor & Francis Group (2007)
• [16] Snyder A. W., Love J. D., Optical waveguide theory, Izd. Radio I Swiaź, Moskwa (1987)
• [17] Romaniuk R., Szkło nieliniowe dla fotoniki. Część 5. Szkła Verdeta – Faradaya, Elektronika nr 10 (2008)
• [18] Torbus S. A., Ratuszek M., The selection method of the single mode telecommunication fiber to the interferometric current sensor depending on the destination areas, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2010, Proc. of SPIE, 0277- 786X, Vol. 7745, 7745-81 (2010)
• [19] Marciniak M., Łączność światłowodowa, WKŁ, Warszawa (2002)
• [20] Perlicki K., Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa (2002)
• [21] Marcuse D., Theory of Dielectric Optical Waveguides, Academic Press, New York (1991)
• [22] Blake J. N., Rose A. H., Precision Fiber-Optic Current Sensor as a Check-Standard, IEEE 0-7803-7519-X/02 (2002)
• [23] Dawson J. W., MacDougall W., Hernandez E., Verdet Constant Limited Temperature Response of a Fiber-Optic Current Sensor, IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 7, No. 12 (1995)
• [24] Torbus S. A., Możliwości termicznego łączenia światłowodów jednomodowych wykorzystywanych w metrologii, Przegląd Elektrotechniczny Nr 1 (2019)
• [25] Lindner E., Chojetzki Ch., Brückner S., Becker M., Rothhardt M., Bartelt H., Thermal regeneration of fiber Bragg gratings in photosensitive fibers, Optics Express, Vol. 17, Issue 15 (2009)
• [26] Fokine M., Photosensitivity, chemical composition gratings and optical fiber based components, KTH, Superseded Departments, Microelectronics and Information Technology, IMIT, Stockholm (2002)
• [27] Campbell R. J., Kashyap R., Spectral profile and multiplexing of Bragg gratings in photosensitive fiber, Optics Letters, Vol. 16, Issue 12 (1991)
• [28] Hill K. O., Fujii Y., Johnson D. C., Kawasaki B. S., Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication, Appllie Physics Letters, Vol. 32 (1978)

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).