Адресованная структура волокна Брэгга

Адресная волоконная структура Брэгга ( AFBS ) представляет собой волоконную решетку Брэгга , оптическая частотная характеристика которой включает два узкополосных компонента с частотным интервалом между ними (который является адресной частотой AFBS), находящимся в радиочастотном (РЧ) диапазоне. Частотный интервал (адресная частота) уникален для каждой AFBS в цепи опроса и не изменяется, когда AFBS подвергается деформации или изменению температуры . Адресная волоконная структура Брэгга может выполнять тройную функцию в волоконно-оптических сенсорных системах: сенсор , формирователь двухчастотного зондирующего излучения и мультиплексор . Ключевой особенностью AFBS является то, что она позволяет определять ее центральную длину волны без сканирования ее спектрального отклика, в отличие от обычных волоконных решеток Брэгга (FBG), которые зондируются с помощью оптоэлектронных опросчиков. Схема опроса AFBS существенно упрощена по сравнению с обычными запросчиками и состоит из широкополосного оптического источника (например, суперлюминесцентного диода ), оптического фильтра с заданной линейной наклонной частотной характеристикой и фотодетектора . Принцип опроса AFBS по своей сути позволяет включать в единую измерительную систему несколько AFBS с одинаковой центральной длиной волны и разными адресными частотами.

Концепция адресных волоконных брэгговских структур была введена в 2018 году Айратом Сахабутдиновым ^[1] и разработана совместно с его научным руководителем Олегом Морозовым. Идея возникла из более ранних работ Морозова и его коллег, ^{[2] [3]} , где двухчастотное оптическое излучение от электрооптического модулятора использовалось для определения центральной длины волны ВБР на основе амплитудно-фазового анализа сигнала биений на частоте, равной расстоянию между двумя компонентами зондирующего излучения. Это устраняет необходимость сканирования спектрального отклика ВБР, обеспечивая при этом высокую точность измерений и снижая стоимость системы. ^{[1] [2]} AFBS была разработана как еще один шаг к упрощению систем опроса ВБР путем переноса формирования двухчастотного зондирующего излучения с исходного модулятора на сам датчик. ^[1]

К настоящему времени представлены два типа AFBS с различными механизмами формирования двухчастотного излучения: 2π-FBG и 2λ-FBG.

2π-FBG — это FBG с двумя дискретными фазовыми π-сдвигами. ^{[4] [5] [6]} Она состоит из трех последовательных однородных FBG с зазорами, равными одному периоду решетки между ними (см. рис. 1). В системе несколько 2π-FBG должны быть соединены параллельно, чтобы фотодетектор принимал свет, распространяющийся через структуры.

2λ-FBG состоит из двух идентичных сверхузких FBG, центральные длины волн которых разделены адресной частотой. ^{[7] [8]} Несколько 2λ-FBG в системе могут быть соединены последовательно, так что фотодетектор принимает свет, отраженный от структур.

На рис. 2 представлена ​​структурная схема системы опроса двух АВБС (типа 2π-ВБР) с различными адресными частотами Ω ₁ и Ω ₂ . Широкополосный источник света 1 формирует непрерывное световое излучение (схема а ), которое соответствует полосе пропускания измерения. Свет передается через волоконно-оптический разветвитель 9 , затем поступает в две АВБС 2.1 и 2.2 . Обе АВБС передают двухчастотные излучения, которые с помощью другого разветвителя 10 суммируются в комбинированное излучение (схема б ) . На выходе разветвителя формируется четырехчастотное излучение (схема в ), которое направляется через волоконно-оптический разветвитель 6 . Разветвитель разделяет оптический сигнал на два канала – измерительный и опорный. В измерительном канале установлен оптический фильтр 3 с заданной линейной наклонной частотной характеристикой, преобразующий амплитуды четырехчастотного излучения в несимметричное излучение (диаграмма г ). После этого сигнал поступает на фотоприемник 4 и принимается измерительным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5. Сигнал с АЦП используется для определения измерительной информации с AFBS. В опорном канале сигнал (диаграмма д ) поступает на опорный фотоприемник 7 для управления выходной оптической мощностью, а затем принимается опорным АЦП 8. Таким образом достигается нормализация интенсивности выходного сигнала, и все последующие вычисления производятся с использованием соотношений интенсивностей в измерительном и опорном каналах. ^{[5] [6]}

Предположим, что отклик каждого спектрального компонента AFBS представлен одной гармоникой, тогда общий оптический отклик двух AFBS можно выразить как: ^{[1] [4]}

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

где A _i , B _i — амплитуды частотных составляющих i -й AFBS; ω _i , — частота левых спектральных составляющих i -й AFBS; Ω _i — адресная частота i -й AFBS.

Силу света, воспринимаемую фотоприемником, можно описать следующим выражением:

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

Путем узкополосной фильтрации сигнала P ( t ) на адресных частотах можно получить систему уравнений, с помощью которой можно определить центральные частоты АФБС:

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

где D _j — амплитуда сигнала на адресных частотах Ω _j , а экспоненциальные множители описывают полосовые фильтры на адресных частотах.