Fibre Bragg -ritilä - Fiber Bragg grating

Kuitu Braggin ( FBG ) on eräänlainen DBR rakennettu lyhyen segmentin optisen kuidun , joka heijastaa erityisesti aallonpituuksia valon ja lähettää kaikki muut. Tämä saavutetaan luomalla jaksollinen vaihtelu kuitusydämen taitekertoimessa , joka tuottaa aallonpituusspesifisen dielektrisen peilin . Siksi kuitua Bragg-ritilää voidaan käyttää sisäisenä optisena kuiduna tiettyjen aallonpituuksien estämiseksi tai sitä voidaan käyttää aallonpituuskohtaisena heijastimena.

Kuva 1: Fiber Bragg -ritilärakenne, jossa taitekerroinprofiili ja spektrivaste

Historia

Ensimmäisen kuidun sisäisen Bragg-ritilän osoitti Ken Hill vuonna 1978. Aluksi ritilät valmistettiin käyttämällä näkyvää laseria, joka eteni pitkin kuidun ydintä. Vuonna 1989 Gerald Meltz ja hänen kollegansa esittivät paljon joustavamman poikittaisen holografisen merkintätekniikan, jossa laservalaistus tuli kuidun puolelta. Tämä tekniikka käyttää ultraviolettilasersäteilyn häiriökuviota Bragg-säleikön jaksollisen rakenteen luomiseksi.

Valmistus

Fiber Bragg -ritilät luodaan "kirjoittamalla" tai "kirjoittamalla" taitekertoimen systemaattinen (jaksoittainen tai aperiodinen) vaihtelu erityistyyppisen optisen kuidun ytimeen käyttämällä voimakasta ultraviolettilähdettä (UV) kuten UV- laseria . Käytetään kahta pääprosessia: häiriöt ja peittäminen . Edullinen menetelmä riippuu valmistettavan ritilän tyypistä. Vaikka polymeerioptiokuidut ovat saaneet kiinnostusta tutkimukseen 2000-luvulla, käytetään germaniumilla seostettua piidioksidikuitua yleisimmin. Germaaniumilla seostettu kuitu on valoherkkä , mikä tarkoittaa, että ytimen taitekerroin muuttuu altistettaessa UV-valolle. Muutoksen määrä riippuu valotuksen voimakkuudesta ja kestosta sekä kuidun valoherkkyydestä. Suuren heijastavuuskuidun kirjoittamiseksi Bragg-ritilä suoraan kuituun, germaniumia sisältävän seostustason on oltava korkea. Vakiokuituja voidaan kuitenkin käyttää, jos valoherkkyyttä parannetaan liottamalla kuitu esivetyyn.

Häiriöitä

Tämä oli ensimmäinen menetelmä, jota käytettiin laajalti kuitujen Bragg-säleikköjen valmistuksessa, ja siinä käytetään kahden säteen häiriöitä . Tässä UV- laser on jaettu kahteen säteeseen, jotka häiritsevät toisiaan luoden jaksollisen intensiteettijakauman häiriökuviota pitkin. Valoherkän kuidun taitekerroin muuttuu sen altistaman valon voimakkuuden mukaan. Tämä menetelmä mahdollistaa nopean ja helpon muutoksen Braggin aallonpituuteen, joka liittyy suoraan häiriöjaksoon ja laservalon tulokulman toimintaan .

Peräkkäinen kirjoittaminen

Monimutkaiset ritilaprofiilit voidaan valmistaa paljastamalla suuri määrä pieniä, osittain päällekkäisiä ritilöitä peräkkäin. Edistyneitä ominaisuuksia, kuten vaihesiirtoja ja vaihtelevaa modulointisyvyyttä, voidaan ottaa käyttöön säätämällä alarakeiden vastaavia ominaisuuksia. Menetelmän ensimmäisessä versiossa alakerrat muodostettiin altistamalla UV-pulsseille, mutta tällä lähestymistavalla oli useita haittoja, kuten suuret pulssien energiavaihtelut ja pieni keskimääräinen teho. Peräkkäinen kirjoitusmenetelmä jatkuvalla UV-säteilyllä, joka voittaa nämä ongelmat, on osoitettu ja sitä käytetään nyt kaupallisesti. Valoherkkä kuitu käännetään interferometrisesti ohjatulla ilmalaakeroidulla vaunulla. Häiritsevät UV-säteet kohdistuvat kuituun, ja kuidun liikkuessa reunat liikkuvat pitkin kuitua kääntämällä peilit interferometrissä. Koska peilien toiminta-alue on rajallinen, ne on nollattava joka jakso, ja reunat liikkuvat sahahammaskuviona. Kaikki ritiläparametrit ovat käytettävissä ohjausohjelmistossa, ja siksi on mahdollista valmistaa mielivaltaisia ​​ritilärakenteita ilman muutoksia laitteistoon.

Photomask

Valomaski , jolla on tarkoitus ritilä ominaisuuksia voidaan käyttää myös valmistettaessa kuitua Braggin hiloja. Valomassa sijoitetaan UV-valonlähteen ja valoherkän kuidun väliin. Sitten valomaskin varjo määrittää säleikön rakenteen kuitua iskevän valon lähetetyn voimakkuuden perusteella. Photomaskeja käytetään nimenomaan sirottujen Fiber Bragg -ritilöiden valmistuksessa , joita ei voida valmistaa interferenssikuvion avulla.

Piste kerrallaan

Yhtä UV- lasersädettä voidaan käyttää myös ritilän 'kirjoittamiseen' kuituun pisteittäin. Tässä laserilla on kapea säde, joka on sama kuin ritiläjakso. Suurin ero tässä menetelmässä on infrapunasäteilysäteilyn ja dielektrisen materiaalin välisessä vuorovaikutusmekanismissa - monifotonien absorptio ja tunnelin ionisaatio. Tätä menetelmää voidaan käyttää erityisesti pitkäkestoisten kuituristikkojen valmistuksessa . Pistekohtaisesti käytetään myös kallistettujen ritilöiden valmistuksessa.

Tuotanto

Alun perin valoherkän optisen kuidun valmistus ja kuitu-Bragg-ritilän "kirjoittaminen" tehtiin erikseen. Nykyään tuotantolinjat vetävät tyypillisesti kuidun aihiosta ja "kirjoittavat" ritilän, kaikki yhdessä vaiheessa. Sen lisäksi, että se vähentää liitännäiskustannuksia ja aikaa, se mahdollistaa myös Bragg-kuituristikkojen massatuotannon. Massatuotanto helpottaa erityisesti sovelluksia älykkäissä rakenteissa, joissa käytetään suuria määriä (3000) upotettua Bragg-säleikköä yhdellä kuidun pituudella.

Teoria

Kuva 2: FBG: n heijastama teho aallonpituuden funktiona

FBG: n toiminnan perusperiaate on Fresnel-heijastus , jossa eri taitekerroin olevien väliaineiden välillä kulkeva valo voi sekä heijastua että taittua rajapinnassa.

Taitekerroin vaihtelee tyypillisesti määritellyllä pituudella. Heijastunut aallonpituus ( ), jota kutsutaan Braggin aallonpituudeksi, määritetään suhteella, ${\ displaystyle \ scriptstyle \ lambda _ {B}}$

${\ displaystyle \ lambda _ {B} = 2n_ {e} \ Lambda \,}$

missä on säteen tehollinen taitekerroin kuidun ytimessä ja mikä on ritiläjakso. Efektiivinen taitekerroin määrittelee etenevän valon nopeuden verrattuna sen vakuuminopeuteen. riippuu paitsi aallonpituudesta myös (monimoodisten aaltojohteiden osalta) valon etenemismoodista. Tästä syystä sitä kutsutaan myös modaaliseksi indeksiksi. ${\ displaystyle \ scriptstyle n_ {e}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ Lambda}$${\ displaystyle \ scriptstyle n_ {e}}$

Ensimmäisten minimien (nollat, katso kuva 2) tai kaistanleveyden ( ) välinen aallonpituuden väli (vahvassa ritilärajassa) saadaan, ${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta \ lambda}$

${\ displaystyle \ Delta \ lambda = \ left [{\ frac {2 \ delta n_ {0} \ eta} {\ pi}} \ right] \ lambda _ {B}}$

missä on taitekertoimen vaihtelu ( ) ja mikä on sydämen tehon osuus. Huomaa, että tätä likiarvoa ei sovelleta heikkoihin ritilöihin, joissa ritilän pituus , ei ole suuri verrattuna \ . ${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0}}$${\ displaystyle \ scriptstyle n_ {3} \, - \, n_ {2}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ eta}$${\ displaystyle \ käsikirjoitus L_ {g}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ lambda _ {B}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0}}$

Huippuheijastuksen ( ) antaa suunnilleen ${\ displaystyle \ käsikirjoitus P_ {B} (\ lambda _ {B})}$

${\ displaystyle P_ {B} (\ lambda _ {B}) \ approx \ tanh ^ {2} \ vasen [{\ frac {N \ eta (V) \ delta n_ {0}} {n}} \ oikea] }$

missä on jaksottaisten vaihteluiden määrä. Heijastetun tehon ( ) täydellinen yhtälö saadaan ${\ displaystyle \ scriptstyle N}$${\ displaystyle \ käsikirjoitus P_ {B} (\ lambda)}$

${\ displaystyle P_ {B} (\ lambda) = {\ frac {\ sinh ^ {2} \ vasen [\ eta (V) \ delta n_ {0} {\ sqrt {1- \ Gamma ^ {2}}} {\ frac {N \ Lambda} {\ lambda}} \ oikea]} {\ cosh ^ {2} \ vasen [\ eta (V) \ delta n_ {0} {\ sqrt {1- \ Gamma ^ {2} }} {\ frac {N \ Lambda} {\ lambda}} \ oikea] - \ Gamma ^ {2}}}}$

missä,

${\ displaystyle \ Gamma (\ lambda) = {\ frac {1} {\ eta (V) \ delta n_ {0}}} \ vasen [{\ frac {\ lambda} {\ lambda _ {B}}} - 1 \ oikea]}$

Ritilöiden tyypit

Termi tyyppi viittaa tässä yhteydessä taustalla olevaan valoherkkyysmekanismiin , jolla ritilähapset syntyvät kuidussa. Eri menetelmillä näiden reunojen luomiseksi on merkittävä vaikutus tuotetun ritilän fyysisiin ominaisuuksiin, erityisesti lämpötilavasteeseen ja kykyyn kestää korkeita lämpötiloja. Toistaiseksi on raportoitu viisi (tai kuusi) FBG-tyyppiä erilaisilla taustalla olevilla valoherkkyysmekanismeilla. Nämä on tiivistetty alla:

Vakio- tai tyypin I ritilät

Kirjattu kaiken tyyppisiin hydrattuihin ja hydrattuihin kuituihin, tyypin I ritilät tunnetaan yleensä vakioverkoina ja niitä valmistetaan kaikentyyppisissä kuiduissa kaikissa hydrausolosuhteissa. Tyypillisen I ritilän heijastusspektrit ovat tyypillisesti yhtä suuria kuin 1-T, jossa T on lähetysspektrit. Tämä tarkoittaa sitä, että heijastus- ja läpäisyspektrit ovat toisiaan täydentäviä ja valohäviö on vähäistä heijastamalla verhoon tai absorboimalla. Tyypin I ritilät ovat yleisimmin käytettyjä ritilätyyppejä, ja ainoat ritilätyypit, jotka ovat saatavilla kirjoitushetkellä.

Tyypin IA ritilät

• Regeneroitu ritilä, joka on kirjoitettu tyypin I pyyhkimisen jälkeen kaikenlaiseen hydrattuun germanosilikaattikuituun

Tyypin IA ritilät havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2001 kokeiden aikana, joiden tarkoituksena oli määrittää vetykuormituksen vaikutukset IIA-ritilöiden muodostumiseen germanosilikaattikuidussa. Päinvastoin kuin ritilöiden Braggin aallonpituuden ennakoidussa laskussa (tai 'sinisessä siirtymässä') havaittiin suuri kasvu (tai 'punainen siirtymä').

Myöhempi työ osoitti, että Braggin aallonpituuden kasvu alkoi, kun alkuperäinen tyypin I ritilä oli saavuttanut huippuheijastavuuden ja alkanut heikentyä. Tästä syystä se leimattiin regeneroiduksi ritiläksi.

Tyypin IA ritilöiden lämpötilakertoimen määrittäminen osoitti, että se oli pienempi kuin tavallisissa ritilöissä, jotka oli kirjoitettu samoissa olosuhteissa.

Tärkein ero tyypin IA ja IIA ritilöiden välillä on, että IA ritilät kirjoitetaan hydrattuihin kuiduihin, kun taas tyypin IIA ritilät kirjoitetaan hydrattuihin kuiduihin.

Tyypin IIA tai tyypin In ritilät

• Nämä ovat ritilöitä, jotka muodostuvat, kun indusoidun indeksimuutoksen negatiivinen osa ohittaa positiivisen osan. Se liittyy yleensä indusoidun stressin asteittaiseen rentoutumiseen akselin suuntaisesti ja / tai rajapinnalla. On ehdotettu, että nämä ritilät voitaisiin nimetä uudelleen tyyppiä In (tyypin 1 ritilöille, joiden indeksimuutos on negatiivinen; tyypin II tarra voidaan varata niille, jotka on selvästi valmistettu lasin vauriokynnyksen yläpuolella).

Myöhempi tutkimus, jonka Xie et ai. osoitti toisen tyyppisen ritilän olemassaolon, jolla oli samanlaiset lämpöstabiilisuusominaisuudet kuin tyypin II ritilällä. Tällä ritilällä oli negatiivinen muutos kuidun keskiarvossa ja sitä kutsuttiin tyypiksi IIA. Säleiköt muodostettiin germanosilikaattikuiduissa pulsseilla kaksinkertaistetulla XeCl-pumpatulla värilaserilla. Osoitettiin, että alkuperäinen altistuminen muodosti standardin (tyyppi I) ritilän kuidun sisällä, joka kävi läpi pienen punaisen siirtymän ennen pyyhkimistä. Lisäaltistus osoitti, että ritilä uudistettiin, joka kävi läpi tasaisen sinisen muutoksen vahvuuden kasvaessa.

Uudistetut ritilät

Nämä ovat ritilöitä, jotka syntyvät uudelleen korkeammissa lämpötiloissa ritilöiden poistamisen jälkeen, yleensä tyypin I ritilät ja yleensä, vaikkakaan ei aina, vedyn läsnä ollessa. Ne on tulkittu eri tavoin, mukaan lukien lisäaineiden diffuusio (happi on suosituin nykyinen tulkinta) ja lasin rakennemuutos. Viimeaikaiset työt ovat osoittaneet, että diffuusion lisäksi on olemassa regenerointijärjestelmä, jossa ritilät voidaan saada toimimaan yli 1 295 ° C: n lämpötiloissa, ylittäen jopa tyypin II femtosekunnin ritilät. Nämä ovat erittäin houkuttelevia erittäin korkean lämpötilan sovelluksissa.

Tyypin II ritilät

• Vaurioituneet kirjalliset ritilät, jotka on kirjattu moniphotonilla herätteellä korkeamman intensiteetin lasereilla, jotka ylittävät lasin vauriokynnyksen. Käytetyt laserit pulssitetaan yleensä näiden intensiteettien saavuttamiseksi. Ne sisältävät viimeaikaisen kehityksen multifotoniherkityksessä femtosekunnin pulssien avulla, kun lyhyet aikataulut (suhteutettuna paikallista rentoutumisaikaa vastaavaan aikatauluun) tarjoavat ennennäkemättömän indusoidun muutoksen spatiaalisen paikannuksen. Lasin amorfinen verkosto muunnetaan tavallisesti eri ionisaatio- ja sulamisreitillä, jolloin saadaan joko korkeammat indeksimuutokset tai syntyy mikroräjähdysten kautta tiheämmän lasin ympäröimiä tyhjiä tiloja.

Archambault et ai. osoitti, että ~ 100% (> 99,8%) heijastuskyvyn säleiköt oli mahdollista piirtää yhdellä UV-pulssilla kuituihin vetotorniin. Tuloksena olevien ritilöiden osoitettiin olevan stabiileja jopa 800 ° C: n lämpötiloissa (joissakin tapauksissa jopa 1 000 ° C ja korkeammissa femtosekunnin laserkirjoituksella). Säleiköt kirjoitettiin käyttäen yhtä 40 mJ: n pulssia eksimeerilaserista 248 nm: ssä. Lisäksi osoitettiin, että terävä kynnys oli ilmeinen ~ 30 mJ: ssa; tämän tason yläpuolella indeksimodulaatio kasvoi yli kahdella suuruusluokalla, kun taas alle 30 mJ: n indeksimodulaatio kasvoi lineaarisesti pulssienergian kanssa. Tunnistamisen helpottamiseksi ja lämpöstabiilisuuden erojen havaitsemiseksi he merkitsivät kynnyksen alapuolella valmistetut ritilät tyypin I ritilöiksi ja kynnyksen yläpuolella tyypin II ritilöiksi. Näiden ritilöiden mikroskooppinen tutkimus osoitti säännöllisen vaurioitumisrajan ritilän kohdalla kuidussa [10]; siten tyypin II ritilät tunnetaan myös vaurioritilöinä. Nämä halkeamat voivat kuitenkin olla hyvin lokalisoituja, jotta niillä ei olisi merkittävää roolia hajoamisen häviössä, jos ne on asianmukaisesti valmisteltu.

Ritilärakenne

Kuva 3: Taitekerroinmuutoksen rakenne yhtenäisessä FBG: ssä (1), siristetyssä FBG: ssä (2), kallistetussa FBG: ssä (3) ja päällirakenteen FBG: ssä (4).

Kuva 4: Taitekerroinprofiili ytimessä, 1) yhtenäinen vain positiivinen FBG, 2) Gaussin apodisoitu FBG, 3) korotettu kosini-apodisoitu FBG, jossa on nolladcc-muutos, ja 4) erillinen vaihesiirto FBG.

FBG: n rakenne voi vaihdella taitekertoimen tai ristikkojakson avulla. Ritiläjakso voi olla tasainen tai porrastettu ja joko lokalisoitu tai jaettu päällirakenteeseen. Taitekertoimella on kaksi pääominaisuutta, taitekerroinprofiili ja offset. Taitekerroinprofiili voi tyypillisesti olla tasainen tai apodisoitu, ja taitekerroinpoikkeama on positiivinen tai nolla.

FBG: llä on kuusi yhteistä rakennetta;

1. yhdenmukainen vain positiivinen indeksimuutos,
2. Gaussin apodisoitu ,
3. korotettu kosini apodisoitu,
4. siristi ,
5. erillinen vaihesiirto ja
6. päällirakenne.

Ensimmäisen monimutkaisen ritilän teki J. Canning vuonna 1994. Tämä tuki ensimmäisten hajautetun palautteen (DFB) kuitulaserien kehittämistä ja loi perustan myös seuraaville monimutkaisimmille ritilöille, mukaan lukien Peter Hillin ensin tekemät näytteet. kollegat Australiassa.

Apodisoidut ritilät

FBG: n ominaisuuksia hallitsee periaatteessa kaksi määrää. Nämä ovat ritilän pituus , annettu muodossa ${\ displaystyle \ käsikirjoitus L_ {g}}$

${\ displaystyle L_ {g} = N \ Lambda \,}$

ja ritilä voimaa, . FBG: ssä on kuitenkin hallittava kolme ominaisuutta. Nämä ovat heijastavuus, kaistanleveys ja sivulohkon vahvuus. Kuten yllä on esitetty, vahvassa ritilärajassa (ts. Suurille ) kaistanleveys riippuu ritilän lujuudesta eikä ritilän pituudesta. Tämä tarkoittaa, että ritilävoimaa voidaan käyttää kaistanleveyden asettamiseen. Säleikön pituutta voidaan tehokkaasti käyttää piikin heijastavuuden asettamiseen, joka riippuu sekä ritilän lujuudesta että ritilän pituudesta. Tuloksena on, että sivulohkon voimakkuutta ei voida hallita, ja tämä yksinkertainen optimointi johtaa merkittäviin sivulohkoihin. Kolmas määrä voidaan vaihdella sivusolun tukahduttamisen helpottamiseksi. Tämä on taitekerroinmuutoksen apodisointi . Termi apodisaatio viittaa taitekertoimen luokitteluun lähestymään nollaa ritilän lopussa. Apodisoidut ritilät tarjoavat merkittävää parannusta sivusolun tukahduttamisessa säilyttäen heijastavuus ja kapean kaistanleveyden. Kaksi toimintoa, joita tyypillisesti käytetään FBG: n apodisointiin, ovat Gaussin ja korotettu kosini. ${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0} \ eta}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ delta n_ {0}}$${\ displaystyle \ scriptstyle N}$

Sirotut kuidut Bragg-ritilät

Ritilän taitekerroinprofiilia voidaan muokata lisäämällä muita ominaisuuksia, kuten lineaarinen vaihtelu ritiläjaksolla, jota kutsutaan chirpiksi . Heijastunut aallonpituus muuttuu ritiläjakson myötä ja laajentaa heijastunutta spektriä. Sirpillä varustetulla ritilällä on ominaisuus lisätä dispersiota - nimittäin ritilästä heijastuvat eri aallonpituudet viivästyvät eri tavoin. Tätä ominaisuutta on käytetty myös vaiheistettujen ryhmäantennijärjestelmien ja polarisaatiomoodin dispersiokompensoinnin kehittämisessä.

Kallistetut kuitu Bragg-ritilät

Tavanomaisissa FBG: ssä taitekertoimen luokittelu tai vaihtelu on kuidun (optisen akselin) pituudelta ja tyypillisesti tasainen kuidun leveydellä. Kallistetussa FBG: ssä (TFBG) taitekertoimen vaihtelu on kulmassa optiseen akseliin nähden. TFBG: n kallistuskulma vaikuttaa heijastuneeseen aallonpituuteen ja kaistanleveyteen.

Pitkän ajan ritilät

Ritiläjakso on tyypillisesti samaa kokoa kuin Braggin aallonpituus, kuten yllä on esitetty . 1 500 nm: ssä heijastavasta ritilästä ritiläjakso on 500 nm käyttäen taitekerrointa 1,5. Pidempiä jaksoja voidaan käyttää paljon laajempien vastausten aikaansaamiseksi kuin tavallisella FBG: llä. Näitä ritilöitä kutsutaan pitkäaikaisiksi kuituverkkoiksi . Niillä on tyypillisesti ritiläjaksot luokkaa 100 mikrometriä millimetriin saakka, ja siksi niiden valmistus on paljon helpompaa.

Vaihesiirretyt kuitu Bragg-ritilät

Vaiheessa siirtyvät kuitu Bragg-ritilät (PS-FBG) ovat tärkeä luokka ritilärakenteita, joilla on mielenkiintoisia sovelluksia optisessa viestinnässä ja tunnistuksessa erityisten suodatusominaisuuksiensa vuoksi. Tämän tyyppiset ritilät voidaan konfiguroida uudelleen erityispakkausten ja järjestelmäsuunnittelun avulla.

Erilaisia ​​diffraktiorakenteisia pinnoitteita käytetään kuitu-Bragg-ritilöissä Braggin aallonpituuden muutoksen mekaanisen vaikutuksen vähentämiseksi 1,1–15 kertaa verrattuna päällystämättömään aaltojohtoon.

Osoitetut kuitu Braggin rakenteet

Osoitetut kuitubragg-rakenteet (AFBS) on nouseva FBG-luokka, joka on kehitetty yksinkertaistamaan kyselyä ja parantamaan FBG-pohjaisten anturien suorituskykyä. AFBS: n optisella taajuusvasteella on kaksi kapeakaistaisia ​​lovia, joiden välinen taajuusetäisyys on radiotaajuusalueella (RF) . Taajuusväliä kutsutaan AFBS: n osoitetaajuudeksi ja se on yksilöllinen jokaiselle järjestelmän AFBS: lle. AFBS: n keskiaallonpituus voidaan määrittää skannaamatta sen spektrivastetta, toisin kuin tavanomaiset FBG: t, jotka optoelektroniset kyselylaitteet tutkivat. AFBS: n kyselypiiri on merkittävästi yksinkertaistettu verrattuna tavanomaisiin kyselylaitteisiin, ja se koostuu laajakaistaisesta optisesta lähteestä, optisesta suodattimesta, jolla on ennalta määritetty lineaarinen kalteva taajuusvaste, ja valodetektorista.

Sovellukset

Viestintä

Kuva 5: Optinen add-drop-multiplekseri.

Bragg-säleikön ensisijainen sovellus on optisissa viestintäjärjestelmissä. Niitä käytetään erityisesti lovisuodattimina . Niitä käytetään myös optisissa multipleksereissä ja demultipleksereissä, joissa on optinen kiertovesipumppu , tai optisessa add-drop-multiplekserissä (OADM). Kuvassa 5 on 4 kanavaa, jotka on kuvattu 4 värinä ja jotka törmäävät FBG: hen optisen kiertovesipumpun kautta. FBG on asetettu heijastamaan yhtä kanavista, tässä kanavaa 4. Signaali heijastuu takaisin kiertovesipumppuun, jossa se ohjataan alas ja pudotetaan järjestelmästä. Koska kanava on pudonnut, toinen signaali tällä kanavalla voidaan lisätä samaan pisteeseen verkossa.

Demultiplekseri voidaan saavuttaa kasaamalla useita OADM-pudotusjaksoja, joissa kukin pudotuselementti käyttää FBG: tä, joka on asetettu demultipleksoitavalle aallonpituudelle. Käänteisesti, multiplekseri voidaan saavuttaa kasaamalla OADM: n useita lisäosioita. FBG-demultiplekserit ja OADM: t voivat myös olla viritettävissä. Viritettävässä demultiplekserissä tai OADM: ssä FBG: n Bragg-aallonpituus voidaan virittää pietsosähköisen anturin antamalla rasituksella . FBG: n herkkyyttä rasitukselle käsitellään jäljempänä kuitu Braggin ritilän antureissa .

Fiber Bragg -ritiläanturit

Sen lisäksi , että Braggin aallonpituus on herkkä rasitukselle , se on myös herkkä lämpötilalle . Tämä tarkoittaa, että kuitu Braggin ritilöitä voidaan käyttää antureina optisissa kuituantureissa . FBG-anturissa mitattava suure aiheuttaa muutoksen Braggin aallonpituudessa . Suhteellinen muutos Braggin aallonpituudessa, johtuen kohdistetusta kannasta ( ) ja lämpötilan muutoksesta ( ), saadaan noin ${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta \ lambda _ {B}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta \ lambda _ {B} / \ lambda _ {B}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ epsilon}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta T}$

${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta \ lambda _ {B}} {\ lambda _ {B}}} \ right] = C_ {S} \ epsilon + C_ {T} \ Delta T}$

tai,

${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta \ lambda _ {B}} {\ lambda _ {B}}} \ right] = (1-p_ {e}) \ epsilon + (\ alpha _ {\ Lambda } + \ alpha _ {n}) \ Delta T}$

Tässä on venymäkerroin , joka liittyy venymän optiseen kertoimeen . Myös, on kerroin lämpötilan , joka on koostuu lämpölaajenemiskerroin optisen kuidun, ja lämpö-optinen kerroin , . ${\ displaystyle \ käsikirjoitus C_ {S}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle p_ {e}}$${\ displaystyle \ käsikirjoitus C_ {T}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ alpha _ {\ Lambda}}$${\ displaystyle \ scriptstyle \ alpha _ {n}}$

Fibre Bragg -säleiköitä voidaan sitten käyttää suorina tunnistuselementteinä rasitukselle ja lämpötilalle. Niitä voidaan käyttää myös transduktioelementteinä, muuntamalla toisen anturin lähtö, joka tuottaa venymän tai lämpötilan muutoksen mitatusta mitta-arvosta, esimerkiksi kuitu Braggin ritilän kaasuanturit käyttävät absorboivaa pinnoitetta, joka kaasun läsnä ollessa laajenee muodostaen muodonmuutoksen , joka on mitattava ritilällä. Teknisesti absorboiva materiaali on tunnistuselementti, joka muuntaa kaasun määrän kannaksi. Sitten Braggin ritilä siirtää rasituksen aallonpituuden muutokseen.

Erityisesti kuitu-Braggin ritilät löytävät käyttökohteita instrumentointisovelluksissa, kuten seismologiassa , paineanturina erittäin ankarissa olosuhteissa, ja öljy- ja kaasukaivojen kaivonantureina ulkoisen paineen, lämpötilan, seismisen tärinän ja sisäisen virtauksen mittaamisen mittaamiseen. Sellaisina ne tarjoavat merkittävän edun perinteisiin elektronisiin mittareihin verrattuna, joita käytetään näissä sovelluksissa, koska ne ovat vähemmän herkkiä tärinälle tai lämmölle ja ovat siten paljon luotettavampia. 1990-luvulla tehtiin tutkimuksia lentokoneiden ja helikopterirakenteiden komposiittimateriaalien rasituksen ja lämpötilan mittaamiseksi .

Fiber Bragg -ritilät, joita käytetään kuitulasereissa

Äskettäin suuritehoisten kuitulaserien kehittäminen on luonut uuden sovelluskokonaisuuden kuitu Braggin ritilöille (FBG), jotka toimivat aiemmin mahdottomaksi ajateltujen tehotasojen kanssa. Yksinkertaisen kuitulaserin tapauksessa FBG: itä voidaan käyttää korkeana heijastimena (HR) ja lähtöliitäntänä (OC) laserontelon muodostamiseksi. Laserin vahvistus saadaan aikaan harvinaisten maametallien kanssa seostetulla optisella kuidulla, yleisimmässä muodossa käyttämällä piidioksidikuitun aktiivisena lasio-ionina Yb ³⁺ -ioneja. Nämä Yb-seostetut kuitulaserit toimivat ensimmäisen kerran 1 kW: n CW-tehotasolla vuonna 2004 vapaan tilan onteloiden perusteella, mutta niiden osoitettiin toimivan kuitu Braggin ritiläonteloilla vasta paljon myöhemmin.

Tällaisia ​​monoliittisia, kokonaan kuituisia laitteita tuottavat monet yritykset maailmanlaajuisesti ja niiden teho ylittää 1 kW. Näiden kaikkien kuitujärjestelmien suurin etu, joissa vapaan tilan peilit korvataan parilla kuituja Bragg-ritilöitä (FBG), on uudelleensuuntautumisen poistaminen järjestelmän käyttöiän aikana, koska FBG liitetään suoraan seostettuun kuituun ja ei koskaan tarvitse säätää. Haasteena on käyttää näitä monoliittisia onteloita kW CW -tehotasolla suurilla moodialueilla (LMA) olevilla kuiduilla, kuten 20/400 (sisähalkaisija 20 μm ja sisähalkaisija 400 μm) ilman ennenaikaisia ​​vikoja ontelon sisäisissä liitoskohdissa ja ritilät. Kun nämä monoliittiset ontelot on optimoitu, niitä ei tarvitse säätää uudelleen laitteen käyttöiän aikana, jolloin kuitupinnan puhdistaminen ja hajoaminen poistetaan laserin huoltokaaviosta. Jatkojen ja FBG: n pakkaus ja optimointi eivät kuitenkaan ole triviaalia näillä tehotasoilla samoin kuin eri kuitujen sovittaminen, koska Yb-seostetun kuidun sekä erilaisten passiivisten ja valoherkkien kuitujen koostumus on sovitettava huolellisesti yhteen koko kuitulaseriketju. Vaikka itse kuidun tehonkyky ylittää selvästi tämän tason ja on mahdollisesti jopa yli 30 kW CW, käytännön raja on paljon alhaisempi komponenttien luotettavuuden ja liitoshäviöiden vuoksi.

Aktiivisten ja passiivisten kuitujen sovitusprosessi

Kaksinkertaisesti peitetyssä kuidussa on kaksi aaltojohtoa - Yb-seostettu ydin, joka muodostaa signaalin aaltojohdon, ja sisempi verhon aaltojohde pumpun valolle. Aktiivisen kuidun sisäverhoilu on usein muotoiltu peittämään päällystystapoja ja lisäämään pumpun päällekkäisyyttä seostetun ytimen kanssa. Aktiivisten ja passiivisten kuitujen sovittaminen parempaan signaalin eheyteen edellyttää ytimen / verhotun samankeskisyyden ja MFD: n optimointia ytimen halkaisijan ja NA: n kautta, mikä vähentää liitoshäviötä. Tämä saavutetaan pääasiassa tiukentamalla kaikkia asiaankuuluvia kuitumäärityksiä.

Kuitujen sovittaminen parempaan pumpun kytkentään edellyttää päällystetyn halkaisijan optimointia sekä passiiviselle että aktiiviselle kuidulle. Aktiivikuituun kytketyn pumpun tehon määrän maksimoimiseksi aktiivikuitu on suunniteltu hiukan suuremmalla verhoilulla kuin pumpun tehoa toimittavat passiiviset kuidut. Esimerkiksi passiiviset kuidut, joiden halkaisija on 395 μm, silmukoituna aktiiviseen kahdeksankulmaiseen kuituun, jonka halkaisija on 400 μm, parantavat pumpun tehon kytkemistä aktiivikuituun. Näytetään tällaisen silmukan kuva, joka näyttää seostetun kaksinkertaisesti päällystetyn kuidun muotoisen päällysteen.

Aktiivisten ja passiivisten kuitujen sovittaminen voidaan optimoida useilla tavoilla. Helpoin tapa sovittaa signaalin kantavalo on saada samanlainen NA- ja ytimen halkaisija kullekin kuidulle. Tämä ei kuitenkaan ota huomioon kaikkia taitekerroinprofiilin ominaisuuksia. MFD: n sovitus on myös menetelmä, jolla luodaan sovitetut signaalinsiirtokuidut. On osoitettu, että kaikkien näiden komponenttien sovittaminen tarjoaa parhaan kuitusarjan suuritehoisten vahvistimien ja lasereiden rakentamiseen. Pohjimmiltaan MFD mallinnetaan ja tuloksena oleva kohde-NA ja sydämen halkaisija kehitetään. Ydintanko on valmistettu ja ennen sen kuituun vetämistä sen sisähalkaisija ja NA tarkistetaan. Taitekerroinmittausten perusteella lopullinen ydin / verhottu suhde määritetään ja säädetään MFD-tavoitteeksi. Tämä lähestymistapa ottaa huomioon taitekerroinprofiilin yksityiskohdat, jotka voidaan mitata helposti ja erittäin tarkasti esimuotilla, ennen kuin se vedetään kuituun.

Katso myös

• Braggin laki
• Dielektrinen peili
• Diffraktio
  • Diffraktiojärjestelmä
• Hajautettu lämpötila-anturi kuituoptiikalla
• Vetyanturi
• Pitkäaikainen kuidun ritilä
• PHOSFOS- projekti - upottaa FBG: t joustaviin nahkoihin
• Fotoninen kristallikuitu

Viitteet

Ulkoiset linkit

• FOSNE - Fiber Optic Sensing Network Europe
• Bragg-ritilät vedenalaisen infrastruktuurin seurannassa