Adresserad fiber Bragg struktur

En adresserad fiber Bragg-struktur ( AFBS ) är ett fiber-Bragg-gitter , vars optiska frekvenssvar inkluderar två smalbandskomponenter med frekvensavståndet mellan dem (vilket är adressfrekvensen för AFBS) inom radiofrekvensområdet ( RF ) . Frekvensavståndet (adressfrekvensen) är unikt för varje AFBS i frågekretsen och ändras inte när AFBS utsätts för töjning eller temperaturvariationer . En adresserad fiber Bragg-struktur kan utföra trippelfunktion i fiberoptiska sensorsystem : en sensor , en formgivare av dubbelfrekvent sonderingsstrålning och en multiplexor . Huvudfunktionen hos AFBS är att den möjliggör definitionen av dess centrala våglängd utan att skanna dess spektrala svar, till skillnad från konventionella fiber Bragg-gitter (FBG), som sonderas med optoelektroniska frågeapparater. En frågekrets av AFBS är avsevärt förenklad i jämförelse med konventionella frågeapparater och består av en bredbandsoptisk källa (såsom en superluminescerande diod ), ett optiskt filter med ett fördefinierat linjärt lutande frekvenssvar och en fotodetektor . AFBS-förfrågningsprincipen tillåter i sig att inkludera flera AFBS med samma centrala våglängd och olika adressfrekvenser i ett enda mätsystem.

Figur 1: En schematisk beskrivning av en brytningsindexförändring av en 2π-FBG-typ adresserad Bragg-fiberstruktur (a), dess spektrala svar (b). λ _B är den centrala (Bragg) våglängden, Ω är adressfrekvensen, S ₁ (λ) - S ₃ (λ) anger överföringsmatriser som beskriver de enhetliga sektionerna av AFBS, S _φ (λ) anger överföringsmatrisen som beskriver fas- skiftsektion av AFBS.

Historia

Konceptet med adresserade fiber Bragg-strukturer introducerades 2018 av Airat Sakhabutdinov och utvecklades i samarbete med hans vetenskapliga rådgivare, Oleg Morozov. Idén uppstod från Morozovs och hans kollegors tidigare verk, där dubbelfrekvent optisk strålning från en elektrooptisk modulator användes för definitionen av FBG:s centrala våglängd baserat på amplitud- och fasanalysen av slagsignalen vid frekvensen lika med avståndet mellan de två komponenterna i sonderingsstrålningen. Detta eliminerar behovet av att skanna FBG-spektralsvaret samtidigt som det ger hög noggrannhet i mätningarna och minskar systemkostnaden. AFBS har utvecklats som ett ytterligare steg mot förenkling av FBG-förfrågningssystem genom att överföra utformningen av dubbelfrekvent sonderingsstrålning från källmodulatorn till själva sensorn.

Typer av AFBS

Hittills har två typer av AFBS med olika mekanismer för att bilda dubbelfrekvent strålning presenterats: 2π-FBG och 2λ-FBG.

2π-FBG

En 2π-FBG är en FBG med två diskreta fas π-förskjutningar. Den består av tre sekventiella enhetliga FBG:er med mellanrum lika med en gitterperiod mellan dem (se fig. 1). I systemet måste flera 2π-FBG kopplas parallellt så att fotodetektorn tar emot ljuset som fortplantas genom strukturerna.

2A-FBG

En 2λ-FBG består av två identiska ultrasmala FBG, vars centrala våglängder är åtskilda av en adressfrekvens. Flera 2λ-FBG i systemet kan kopplas i serie, så att fotodetektorn tar emot ljuset som reflekteras från strukturerna.

Förhörsprincip

Figur 2: Ett förfrågningsschema för två adresserade fiber Bragg-strukturer (2n-FBG-typ): 1 - en bredbandig optisk källa; 2.1 och 2.2 - adresserade fiber Bragg-strukturer; 3 - ett optiskt filter med ett fördefinierat linjärt lutande frekvenssvar; 4, 7 - fotodetektorer; 5, 8 - analog-till digital omvandlare; 6, 9 - fiberoptiska splittrar; 10 - fiberoptisk koppling; a - e - optiska spektra.

Fig. 2 visar blockschemat för frågesystemet för två AFBS:er (2π-FBG-typ) med olika adressfrekvenser _Qi och _Q2 . En bredbandsljuskälla 1 genererar kontinuerlig ljusstrålning (diagram a ), som motsvarar mätbandbredden. Ljuset sänds genom den fiberoptiska kopplaren 9 och kommer sedan in i de två AFBS:erna 2.1 och 2.2 . Båda AFBS:erna sänder tvåfrekventa strålningar som summeras till en kombinerad strålning (diagram b ) med användning av en annan kopplare 10 . Vid utgången av kopplaren bildas en fyrfrekvent strålning (diagram c ), som sänds genom en fiberoptisk splitter 6 . Delaren delar upp den optiska signalen i två kanaler – mätkanalen och referenskanalen. I mätkanalen är ett optiskt filter 3 med ett fördefinierat linjärt lutande frekvenssvar installerat, vilket modifierar amplituderna för den fyrfrekventa strålningen till den asymmetriska strålningen (diagram d ) . Därefter skickas signalen till fotodetektorn 4 och tas emot av den mätande analog-till-digital-omvandlaren (ADC) 5 . Signalen från ADC används för att definiera mätinformationen från AFBS. I referenskanalen sänds signalen (diagram e ) till referensfotodetektorn 7 för styrningen av den optiska uteffekten, och sedan tas den emot av referensen ADC8 . Således uppnås normaliseringen av utsignalens intensitet, och alla efterföljande beräkningar utförs med hjälp av relationerna mellan intensiteterna i mät- och referenskanalerna.

Antag att svaret från varje spektralkomponent i AFBS representeras av en enda överton, då kan det totala optiska svaret från de två AFBS uttryckas som:

$F(t)=\left[{ \sum _{i=1}^{N}A_{i}\sin(\omega _{i}t)+B_{i}\sin((\omega _{i}+\Omega _{i}) t)}\right]^{2},$

där Ai _; , Bi _är amplituderna för frekvenskomponenterna för den i :te AFBS:en ωi _, är frekvensen för de vänstra spektrala komponenterna i den i -te AFBS; Qi är adressfrekvensen för den i :te AFBS:en _.

Den ljusstyrka som tas emot av fotodetektorn kan beskrivas med följande uttryck:

$P(t)=\summa _{i=1}^{N}\summa _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k})t)+A_{i}B_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k})t) + \atop B_{i}A_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i})t)+B_{i}B_{k}\cos( (\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k})t)}\right).$

Genom smalbandsfiltrering av signalen P ( t ) vid adressfrekvenserna kan ett system av ekvationer erhållas, med hjälp av vilket de centrala frekvenserna för AFBS:erna kan definieras:

$\sum _{i=1}^ {N}\summa _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{ i}-\omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+A_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\ Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+ \atop B_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}|)^ {2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+B_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i }-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)}\right)=D_{j },j={\överlinje {1,N}},$

där Dj _vid är amplituden för signalen vid adressfrekvenserna Ωj, _{och de exponentiella multiplikatorerna beskriver bandpassfiltren} adressfrekvenserna.