Skośne siatki Bragga - Politechnika Lubelska

SKOŚNE SIATKI BRAGGA
Krzysztof Pachowicz
Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Spektra transmisyjne a) klasycznej siatki Bragga, b) pochylonej pod kątem 4°, c)
pochylonej pod kątem 8°, d) pochylonej pod kątem 12° [2]
Siatki Bragga
Siatki Bragga (FBG) są strukturami wytworzonymi w rdzeniu
światłowodu, w których współczynnik załamania jest zmodulowany
przestrzennie w postaci prążków. Wiązka światła propagująca w
światłowodzie z naniesioną siatką ulegnie odbiciu na każdym prążku
siatki, jeżeli zostanie spełniony warunek rezonansu siatki (długość fali
Bragga).
λ = λB = 2 ⋅ neff Λ
a)
b)
c)
d)
(1)
gdzie: λ– długość fali, λB– długość fali Bragga, neff– efektywny
współczynnik załamania szkła, Λ – okres (stała) siatki.
Światło odbite od kolejnych prążków będzie ze sobą w fazie i będzie się
konstruktywnie dodawać tworząc wiązkę odbitą propagującą w kierunku
przeciwnym do fali padającej na siatkę (rezonans modów rdzeniowych).
Natomiast fale pochodzące od kolejnych odbić, dla których warunek
Bragga nie jest spełniony, nie są ze sobą w fazie, co powoduje, że się
znoszą. Struktura taka zachowuje się jak filtr pasmowozaporowy, czyli
pewne długości fali są odbijane od siatki, a reszta jest przepuszczana.
Schemat TFBG. okres siatki, okres siatki wzdłuż osi włókna, kąt pochylenia
siatki. Przerywane strzałki reprezentują mod rdzeniowy propagujący zgodnie ze
zwrotem światła wprowadzanego do światłowodu. Linia ciągła reprezentuje
sprzężenie do modu płaszczowego [3]
Widmo transmisyjne i odbiciowe ukośnej siatki Bragga z zaznaczoną długością
fali Bragga oraz rezonansami modów płaszczowych [3]
Skośne siatki Bragga
Szczególnym rodzajem światłowodowych siatek Bragga są siatki skośne
(TFBG), w których płaszczyzna modulacji prążków jest nachylona pod
pewnym niewielkim kątem w stosunku do osi światłowodu. Takie
ułożenie prążków siatki powoduje, że część światła, dla której jest
spełniony warunek Bragga, są odbijane od siatki pod kątem i wyciekają z
rdzenia w postaci silnie tłumionych modów płaszczowych (rezonans
modów płaszczowych) [3]. Widmo odbiciowe TFBG nie różni się w
szczególny sposób od widma standardowej Siatki, jednak w widmie
transmisyjnym można zaobserwować znaczny wpływ rezonansów
modów płaszczowych.
Ze względu na to, że na rezonansowe długości fali modów płaszczowych
wpływma nie tylko efektywny współczynnik załamania rdzenia
światłowodu, ale także współczynnik załamania modów płaszczowych
(wzór 2) [3][4], skośne siatki Bragga mogą być wykorzystywane do
jednoczesnego pomiaru dwóch wielkości fizycznych [2][3].
r
λip = (neffp ,i + neff
)
ΛB
cos Θ
(2)
p ,i
eff
gdzie: n
- efektywny współczynnik załamania i-tego modu
r
płaszczowego, neff - efektywny współczynnik załamania rdzenia, Λ B rzeczywisty kres siatki, Θ - kąt nachylenia płaszczyzny okresu siatki.
Pierwsza wielkość wpływa bezpośrednio na rdzeń światłowodu, tak jak w
standardowych czujnikach FGB, może być to temperatura,
odkształcenie. Jednak druga wielkość może wpływać na płaszcz, dzięki
czemu łatwo jest konstruować czujniki wielkości fizycznych, nie
mierzonych standardowo przez czujniki światłowodowe.
Schematyczny diagram czujnika poziomu cieczy wykorzystującego TFBG [1]
Wielkości fizyczne jakie mogą być mierzone przy
pomocy skośnych siatek Bragga
współczynnik załamania
temperatura
naprężenia
wilgotność
natężenie pola
magnetycznego
wielkości chemiczne
poziom cieczy
Bibliografia
[1] X. Dong, H. Zhang, B. Liu, Y. Miao:Tilted Fiber Bragg Gratings: Principle andSensing Applications,Photonic Sensors(2011) Vol. 1, No. 1: 6-30
[2] M. C. P. Huy, G. Laont, V. Dewynter, P. Ferdinand, L. Labonte, D. Pagnoux, P. Roy, W. Blanc, B. Dussardier: Tilted Fiber Bragg Grating photowritten
in microstructured optical ber for improved refractive index measurement, Optics Express, Optical Society of America, 2006, 14 (22), pp.10359-10370.
[3] P. Kisała: Periodyczne struktury światłowodowe w optoelektronicznych czujnikach do pomiaru wybranych wielkości nieelektrycznych, Monografie –
Politechnika Lubelska, Lublin, 2012
[4] Y. Zhao, Q. Wang, H. Huang: Characteristics and applications of tilted fiber Bragg, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 12, No.
12, grudzień 2010, s. 2343 – 2354
Lublin University of Technology
Nadbystrzycka 38 D
20 – 618 Lublin, Poland
www.pollub.pl