Estructura de Bragg de fibra dirigida

Respuesta de frecuencia óptica que incluye dos componentes de banda estrecha

Una estructura de Bragg de fibra direccionada ( AFBS ) es una rejilla de Bragg de fibra , cuya respuesta de frecuencia óptica incluye dos componentes de banda estrecha con el espaciado de frecuencia entre ellos (que es la frecuencia de dirección de la AFBS) estando en el rango de radiofrecuencia (RF) . El espaciado de frecuencia (la frecuencia de dirección) es único para cada AFBS en el circuito de interrogación y no cambia cuando la AFBS está sujeta a tensión o variación de temperatura . Una estructura de Bragg de fibra direccionada puede realizar una triple función en sistemas de sensores de fibra óptica : un sensor , un modelador de radiación de sondeo de doble frecuencia y un multiplexor . La característica clave de la AFBS es que permite la definición de su longitud de onda central sin escanear su respuesta espectral, a diferencia de las rejillas de Bragg de fibra convencionales (FBG), que se sondean utilizando interrogadores optoelectrónicos. Un circuito de interrogación de AFBS se simplifica significativamente en comparación con los interrogadores convencionales y consta de una fuente óptica de banda ancha (como un diodo superluminiscente ), un filtro óptico con una respuesta de frecuencia inclinada lineal predefinida y un fotodetector . El principio de interrogación AFBS permite intrínsecamente incluir varios AFBS con la misma longitud de onda central y diferentes frecuencias de dirección en un solo sistema de medición.

Figura 1: Esquema de un cambio del índice de refracción de una estructura Bragg de fibra direccionada de tipo 2π-FBG (a), su respuesta espectral (b). λ _B es la longitud de onda central (Bragg), Ω es la frecuencia de dirección, S ₁ (λ) - S ₃ (λ) denotan matrices de transferencia que describen las secciones uniformes de la AFBS, S _φ (λ) denota la matriz de transferencia que describe la sección de cambio de fase de la AFBS.

Historia

El concepto de estructuras de Bragg de fibra direccionada fue introducido en 2018 por Airat Sakhabutdinov ^[1] y desarrollado en colaboración con su asesor científico, Oleg Morozov. La idea surgió de los trabajos anteriores de Morozov y sus colegas, ^{[2] [3]} donde se utilizó la radiación óptica de doble frecuencia de un modulador electroóptico para la definición de la longitud de onda central de FBG en función del análisis de amplitud y fase de la señal de batido a la frecuencia igual al espaciado entre los dos componentes de la radiación de sondeo. Esto elimina la necesidad de escanear la respuesta espectral de FBG al tiempo que proporciona una alta precisión de las mediciones y reduce el costo del sistema. ^{[1] [2]} AFBS se ha desarrollado como un paso más hacia la simplificación de los sistemas de interrogación de FBG al transferir la conformación de la radiación de sondeo de doble frecuencia desde el modulador de la fuente al propio sensor. ^[1]

Tipos de AFBS

Hasta el momento se han presentado dos tipos de AFBS con diferentes mecanismos de formación de radiación de doble frecuencia: 2π-FBG y 2λ-FBG.

2π-FBG

Un 2π-FBG es un FBG con dos desplazamientos π de fase discretos. ^{[4] [5] [6]} Está compuesto por tres FBG secuenciales uniformes con espacios iguales a un período de rejilla entre ellos (ver Fig. 1). En el sistema, varios 2π-FBG deben estar conectados en paralelo para que el fotodetector reciba la luz propagada a través de las estructuras.

2λ-FBG

Un 2λ-FBG consta de dos FBG ultraestrechos idénticos, cuyas longitudes de onda centrales están separadas por una frecuencia de dirección. ^{[7] [8]} Varios 2λ-FBG en el sistema se pueden conectar en serie, de modo que el fotodetector reciba la luz reflejada desde las estructuras.

Principio de interrogación

Figura 2: Esquema de interrogación para dos estructuras Bragg de fibra direccionadas (tipo 2π-FBG): 1 - una fuente óptica de banda ancha; 2.1 y 2.2 - estructuras Bragg de fibra direccionadas; 3 - un filtro óptico con una respuesta de frecuencia inclinada lineal predefinida; 4, 7 - fotodetectores; 5, 8 - convertidores analógicos a digitales; 6, 9 - divisores de fibra óptica; 10 - acoplador de fibra óptica; a - e - espectros ópticos.

La Fig. 2 presenta el diagrama de bloques del sistema de interrogación para dos AFBS (tipo 2π-FBG) con diferentes frecuencias de dirección Ω ₁ y Ω ₂ . Una fuente de luz de banda ancha 1 genera radiación de luz continua (diagrama a ), que corresponde al ancho de banda de medición. La luz se transmite a través del acoplador de fibra óptica 9 , luego ingresa a los dos AFBS 2.1 y 2.2 . Ambos AFBS transmiten radiaciones de dos frecuencias que se suman en una radiación combinada (diagrama b ) utilizando otro acoplador 10 . En la salida del acoplador, se forma una radiación de cuatro frecuencias (diagrama c ), que se envía a través de un divisor de fibra óptica 6 . El divisor divide la señal óptica en dos canales: el canal de medición y el canal de referencia. En el canal de medición se instala un filtro óptico 3 con una respuesta de frecuencia inclinada lineal predefinida, que modifica las amplitudes de la radiación de cuatro frecuencias en la radiación asimétrica (diagrama d ). Después de eso, la señal se envía al fotodetector 4 y es recibida por el convertidor analógico a digital (ADC) de medición 5. La señal del ADC se utiliza para definir la información de medición del AFBS. En el canal de referencia, la señal (diagrama e ) se envía al fotodetector de referencia 7 para el control de salida de potencia óptica, y luego es recibida por el ADC de referencia 8. De este modo, se logra la normalización de la intensidad de la señal de salida, y todos los cálculos posteriores se realizan utilizando las relaciones de las intensidades en los canales de medición y referencia. ^{[5] [6]}

Supongamos que la respuesta de cada componente espectral de los AFBS está representada por un solo armónico, entonces la respuesta óptica total de los dos AFBS se puede expresar como: ^{[1] [4]}

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

donde A _i , B _i son las amplitudes de los componentes de frecuencia del i -ésimo AFBS; ω _i , es la frecuencia de los componentes espectrales izquierdos del i -ésimo AFBS; Ω _i es la frecuencia de dirección del i -ésimo AFBS.

La potencia luminosa recibida por el fotodetector se puede describir mediante la siguiente expresión:

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

Mediante el filtrado de banda estrecha de la señal P ( t ) en las frecuencias de dirección, se puede obtener un sistema de ecuaciones mediante el cual se pueden definir las frecuencias centrales de las AFBS:

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

donde D _j es la amplitud de la señal en las frecuencias de dirección Ω _j , y los multiplicadores exponenciales describen los filtros de paso de banda en las frecuencias de dirección.

Referencias

1. Sakhabutdinov AJ Sistemas de sensores fotónicos de microondas basados ​​en estructuras de Bragg de fibra de dirección y su aplicación para resolver problemas prácticos. Tesis de doctorado. Kazán: Universidad Técnica Nacional de Investigación de Kazán nombrada en honor a AN Tupolev-KAI Publ., 2018. (en ruso)
2. Morozov OG Reflectometría simétrica de doble frecuencia para el control de medios naturales y artificiales. Tesis de doctorado. Kazán, 2004. 333 págs. (en ruso)
3. Ilyin, GI; Morozov, OG Radiación coherente de frecuencia única en un método de conversión de dos frecuencias. Patente RU No. A 1338647 SU 4 G02F 1/03. Solicitud 13.04.83; Publicada 20.04.2004.
4. Morozov, OG; Sakhabutdinov, AJ (agosto de 2019). "Estructuras de Bragg de fibra direccionadas en sistemas de sensores fotónicos de microondas cuasidistribuidos" (PDF) . Computer Optics (en ruso). 43 (4): 535–543. Bibcode :2019CoOpt..43..535M. doi : 10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543 . ISSN  2412-6179.
5. Agliullin, TA; Gubaidullin, RR; Morozov, OG; Zh. Sahabutdinov, A.; Ivanov, V. (marzo de 2019). "Sistema de medición de la deformación de los neumáticos basado en estructuras FBG direccionadas". 2019 Sistemas de generación y procesamiento de señales en el campo de las comunicaciones a bordo . Moscú, Rusia: IEEE. págs. 1–5. doi :10.1109/SOSG.2019.8706815. ISBN 978-1-7281-0606-9.S2CID146118643  .​
6. Sahabutdinov, A. Zh.; Morozov, OG; Agliullin, TA; Gubaidullin, RR; Ivanov, V. (marzo de 2020). "Modelado de la respuesta espectral de estructuras FBG direccionadas en cojinetes de detección de carga". 2020 Sistemas de generación y procesamiento de señales en el campo de las comunicaciones a bordo . Moscú, Rusia: IEEE. págs. 1–4. doi :10.1109/IEEECONF48371.2020.9078659. ISBN 978-1-7281-4772-7. Número de identificación del sujeto  216588349.
7. Gubaidullin, RR; Sahabutdinov, A. Zh.; Agliullin, TA; Morozov, OG; Ivanov, V. (julio de 2019). "Aplicación de estructuras de Bragg de fibra direccionadas para medir la deformación de los neumáticos". 2019 Sistemas de sincronización, generación y procesamiento de señales en telecomunicaciones (SYNCHROINFO) . Rusia: IEEE. págs. 1–7. doi :10.1109/SYNCHROINFO.2019.8813908. ISBN . 978-1-7281-3238-9.S2CID201810980  .​
8. Morozov, OG; Sakhabutdinov, A Zh; Nureev, II; Misbakhov, R Sh (noviembre de 2019). "Tecnologías de modelado y registro de estructuras de Bragg de fibra de dirección basadas en dos rejillas ultraestrechas idénticas con diferentes longitudes de onda centrales". Journal of Physics: Conference Series . 1368 (2): 022049. Bibcode :2019JPhCS1368b2049M. doi : 10.1088/1742-6596/1368/2/022049 . ISSN  1742-6588.