توری براگ فیبری

توری براگ فیبرینوعی بازتابنده توزیع شده براگ است که در قسمت کوچکی از فیبر نوری ساخته می‌شود که طول موج خاصی از نور را بازتاب می‌کند و بقیه طول موج‌ها را عبور می‌دهد. این اثر با ایجاد یک تغییر متناوب در ضریب شکست مغزی فیبر، که یک آینه دی الکتریک بازتابنده یک طول موج مشخص را تولید می‌کند، ایجاد می‌شود. بنابراین توری براگ فیبری به عنوان فیلترنوری هم خط برای مسدود کردن طول موج‌های خاصی ویا برای بازتابنده یک طول موج خاص استفاده می‌شود.

پیشینه

اولین توری براگ فیبری در سال ۱۹۷۸ توسط کن هیل (Ken Hill) به نمایش گداشته شد. در ابتدا، توری به وسیله یک لیزر مرئی که در طول مغزی فیبر منتشر می‌شد ساخته شد. جرالد ملتز و همکارانش روش منعطف تر نوشتن تمام نگاری عرضی که نور لیزر از یک سمت فیبر وارد می‌شود را ارائه کردند. این تکنیک از تداخل الگوی نور لیزر ماورای بنفش برای ایجاد ساختار تناوبی توری استفاده می‌کند.

ساخت

توری‌های براگ به وسیله حک کردن یا نوشتن تغییرات منظم ضریب شکست (متناوب یا غیر متناوب) داخل مغزی یک نوع خاص فیبر نوری با استفاده از یک منبع ماورای بنفش(UV) مانند لیزر UV ایجاد می‌شود. دو روند عمده که استفاده می‌شود: تداخل و پوشش. بسته به نوع توری یکی از روش‌ها رجحان دارد. فیبر با آلایش ژرمانیوم حساس به نور است، یعنی ضریب شکست مغزی با تابش نور فرابنفش تغییر می‌کند. مقدار تغییر ضریب شکست وابسته به شدت و طول زمان تابش و همچنین حساسیت فیبر به نور است. برای نوشتن یک توری براگ فیبری با بازتابندگی بالا باید سطح آلاییدگی ژرمانیوم بالا باشد. با این وجود؛ اگر حساست زیاد باشد می توان فیبرهای استاندارد را با غوطه ور ساختن فیبر در هیدروژن به کار برد. اخیرا، توری‌های براگ فیبری در فیبر‌های پلیمری نیز نوشته می‌شوند.

تداخل

اولین روش ساخت توری‌های براگ فیبری به طور گسترده تداخل بود و از تداخل دو پرتو استفاده می‌شد. در این روش نور فرابفش به دو پرتو تبدیل می‌شود که با هم تداخل می‌کند و توزیع شدت متناوبی را در طول الگوی تداخل ایجاد می‌کند. ضریب شکست فیبر برحسب میزان شدتی که تابش می‌شود تغییر می‌کند. این روش باعث تغییر سریع وآسان طول موج براگ می‌شود که مستقیما به دوره تداخل و تابع زاویه فرودی نور لیزر وابسته‌است.

ماسک نوری

ماسک نوری که مشخصات توری تعیین شده را دارد نیز در تولید توری‌های براگ فیبری استفاده می‌شود. ماسک نوری بین چشمه نور فرابنفش و فیبرحساس به نور به کار می‌رود. سایه ماسک نوری ساختار توری را بر اساس شدت نوری عبوری که به فیبر برخورد می‌کند، تعیین می‌کند. ماسک نوری در ساخت توری‌های براگ فیبری چیرپ شده، که به روش تداخل نمی‌توان آنها را ساخت، به کار می‌رود.

نقطه به نقطه

از یک تک پرتو لیزر فرابنفش نیز برای نوشتن توری در فیبر به طور نقطه به نقطه می توان استفاده کرد. در این روش لیزر پرتو باریکی دارد که برابر با دوره توری است. این روش برای ساخت توری فیبری با دوره تناوب بلند به کار می‌رود. این روش برای ساخت توری‌های شیب دار استفاده می‌شود.

تولید

در ابتدا، تولید فیبر نوری حساس به نور و نوشتن توری براگ فیبری به صورت مجزا انجام می‌شد. امروزه، تولید خطوطی که عموما فیبر را از تشکیل تا نوشتن توری رادر یک مرحله رشم می‌کند. برای کاهش قیمت و زمان، تولید انبوه توری‌های براگ فیبری نیز وجود دارد. تولید انبوه به طور خاص کاربردها در ساختار‌های هوشمند که از تعداد زیادی (۳۰۰۰) توری‌های براگ فیبری جا گرفته در طول تک فیبر استفاده می‌شود را آسان می‌کند.

تئوری

اصل اساسی که در پشت FBG وجود دارد، بازتاب فرنل است. جایی که نور بین دو محیط با ضریب شکست مختلف در مرز دو محیط هم بازتاب و هم شکست رخ می‌دهد. عموم توری‌ها یک طول مشخص تغییر سینوسی ضریب شکست در دارند. طول موج بازتابی ($\lambda_B$)که طول موج براگ نامیده می‌شود، با رابطه زیر به دست می‌آید:

$\lambda_B= 2 n_e \Lambda\,$

ضریب شکست موثر توری در مغزی فیبر و$\Lambda$ دوره توری است. ضریب شکست موثر سرعت انتشار نور در مقایسه با سرعتش در خلا، تعیین می‌شود.$n_e$نه تنها به طول موج بلکه به مدهایی که در آن نور منتشر می‌شود (موجبر چند مدی) بستگی دارد. به همین دلیل ضریب مد نیز نامیده می‌شود. فاصله بین اولین مینیمم طول موج (صفر‌ها ٍ در شکل ۲ ببینید)، یا پهنای باند ($\Delta\lambda$)،(درحد توری‌های قوی)توسط رابطه زیر داده می‌شود:

$\Delta \lambda=\left[\frac{2 \delta n_0 \eta}{\pi}\right]\lambda_B$

که$\delta n_0$ تغییر ضریب شکست ($n_3-n_2$)است، و$\eta$ کسر توان در مغزی فیبر است. توجه کنید که این تقریب برای توری‌های ضعیف، که طول توری،$L_g$، در مقایسه با $\lambda_B$ \ $\delta n_0$ بزرگ نباشد اعمال نمی‌شود. قله بازتاب ($P_B(\lambda_B)$) به طور تقریبی به وسیله رابطه زیر داده می‌شود:

$P_B(\lambda_B) \approx \tanh^2 \left[\frac{N \eta (V) \delta n_0}{n}\right]$

که $N$ تعداد تغییرات متناوب است. معادله کل برای توان بازتابی($P_B(\lambda)$)داده می‌شود:

$P_B(\lambda) = \frac{\sinh^2\left[ \eta (V) \delta n_0 \sqrt{1-\Gamma^2} N \Lambda / \lambda\right]}{\cosh^2\left[\eta (V) \delta n_0 \sqrt{1-\Gamma^2} N \Lambda / \lambda\right]-\Gamma^2}$

که

$\Gamma (\lambda)=\frac{1}{\eta (V) \delta n_0}\left[\frac{\lambda}{\lambda_B}-1\right]$

انواع توری‌ها

عبارت "نوع" در این متن به مکانیزم حساسیت نوری که فرانژهای توری را در فیبر تولید می‌کند مربوط می‌شود. روشهای مختلف ایجاد این فرانژها تاثیر بسزایی روی خواص فیزیکی توری‌های تولید شده، بخصوص پاسخ دهی دمایی و قابلیت مقاومت در دماهای زیاد دارد. تاکنون، پنج (یا شش) نوع FBG (توری براگ فیبری) با مکانیزم‌های حساسیت به نور مختلف گزارش شده‌است. انواع آنها در زیر خلاصه شده‌است:

1. توری‌های استاندارد یا توری نوعI
2. توری‌های نوعIA
3. توری‌های نوعIIA
4. توری‌های باز تولیدی
5. توری نوعII

ساختار توری

ساختار توری براگ فیبری می‌تواند با ضریب شکست یا دوره توری تغییر کند. دوره توری ممکن است یکنواخت یا مدرج، و یا جایگزیده یا در یک ساختار بزرگی توزیع شده باشد. این ضریب شکست دو مقدار اولیه دارد، پروفایل ضریب شکست، و دامنه. معمولاٌ پروفایل ضریب شکست یکنواخت یا اپودایز شده‌است، و مبدا ضریب شکست مثبت یا صفر می‌باشد. شش شاختار رایج برای توری‌های براگ فیبری وجود دارد؛

1. تغییر یکنواخت مثبت تنها در ضریب شکست
2. اپودایز شده به صورت گوسی
3. اپودایز شده به صورت کسینوسی برجسته
4. چیرپ
5. تغییر فاز گستته
6. ساختاربزرگ

توری‌های اپودایز شده

دو کمیت اصلی برای کنترل خصوصیات توری براگ فیبری وجود دارد. این کمیت‌ها طول توری،$L_g$، که به صورت زیر داده می‌شود: $L_g=N\Lambda\,$ و قدرت توری،$\delta n_0$ $\eta$، هستند. با این حال سه خصوصیت در توری‌های براگ فیبری باید کنترل شوند، بازتاب، پهنای باند، و قدرت لبه‌های جانبی هستند. همانطور که در بالا نشان داده شده، در حد توری قوی(یعنی$\delta n_0$بزرگ) پهنای باند به قدرت توری بستگی دارد، نه به طول توری. یعنی قدرت توری برای تعیین پهنای باند بکار می‌رود. طول توری، $N$ موثر، می‌تواند برای تعیین پیک بازتاب، که به دو عامل قدرت توری و طول توری وابسته‌است، به کار رود. نتیجه آن این است که قدرت لبه‌های جانبی قابل کنترل نیست، و این بهینه سازی ساده لبه‌های جانبی قابل ملاحظه‌ای را نتیجه می‌دهد. کمیت سوم را می توان به کمک حذف لبه‌های جانبی تغییر داد. این کار اپودایز کردن تغییر ضریب شکست است. عبارت اپودایز به دسته بندی ضریب شکست به شمت صفر در انتهای توری اشاره دارد. توری‌های اپودایز شده بهبود قابل ملاحظه‌ای را در حذف لبه‌های جانبی با حفظ بازتاب و پهنای باند باریک ایجاب می‌کند. دو تابعی که عموماٌ برای اپودایز کردن توری‌های براگ فیبری به کار می‌روند تابع گوسیی و کوسینوسی برآمده هستند.

توری‌های براگ فیبری چیرپ

پروفایل ضریب شکست توری ممکن است به گونه‌ای تنظیم شود که مشخصه‌های دیگر را اضافه کند، مانند تغییر دادن خطی در دوره توری، به این پروفایل چیرپ می گویند. طول موج بازتابی با دوره توری تغییر می‌کند و طیف بازتابی پهن می‌شود. یک توری چیرپ ویژگی افزایش پاشندگی را دارد، یعنی زول موج‌های مختلف با تاخیر زمانی متفاوت از توری بازتاب می‌شوند. این ویژگی در توسعه سیستم‌های آنتن آرایه‌ای فازی و جبران پاشندگی مد قطبشی به کار می‌رود.

توری‌های براگ فیبری اریب

در توری‌های براگ فیبری استاندارد، تغییر ضریب شکستدر طول فیبر (محور نوری) عموماٌ در راستای عرض فیبر یکنواخت است. در توری‌های براگ فیبری اریب (TFBG) تغییر ضریب شکست با محور نوری زاویه دارد. این زاویه شیب در توری براگ فیبری اریب روی طول موج بازتابی و پهنای باند تاثیر دارد.

توری‌های براگ فیبری با تناوب بلند

معمولا دوره توری هم اندازه طول موج براگ است. برای یک توری با استفاده ازضریب شکست ۱٫۵ که در nm 1500 بازتاب می‌کند، دوره توری 500 nm است. دوره‌های بلند تر را می توان به کار برد تا پاسخ‌های پهن تری نسبت به توریهای براگ فیبری استاندارد بدست آورد. این توری‌ها، توری‌های دوره بلند نامیده می‌شوند. معمولا دوره این توری‌ها از مرتبه ۱۰۰ میکرو متر تا یک میلیمتر است و بنابراین ساخت آنها آسان تر است.

کاربردها

ارتباطات

اولین کاربرد توری‌های براگ فیبری در سیستم‌های ارتباطات نوری است. آنها خصوصاٌ در فیلترهای دندانه‌ای استفاده می‌شوند. از آنها در تهسیم کننده‌ها و تقسیم کننده‌های نوری با یک چرخاننده نوری و یا تقسیم کننده‌های حذف و اضافه(OADM) استفاده می‌شود. شکل ۵، ۴ کانال را نشان می‌دهد، که به وسیله یک چرخاننده نوری به توری براگ فیبری مرتبط است. توری براگ فیبری طوری تنظیم شده‌است که یکی از کانال‌ها را بازتاب کند، در اینجا کانال ۴. سیگنال بازتابی به چرخاننده بر می‌گردد و به پایین هدایت می‌شود و از سیستم خارج می‌گردد. چون این سیگنال از سیستم خارج شده‌است، سیگنال دیگری را می توان روی این کانال در همان نقطه در شبکه اضافه کرد. تقسیم کننده با قرارگرفتن چند بخش حذف شونده متوالی که هر جزء حذف از یک توری براگ فیبری برای قرار دادن یک طول موج در تقسیم کننده استفاده می‌کند به دست می‌آید. به طور معکوس تسهیم کننده با قرار گرفتن چند بخش اضافه شونده متوالی OADM به دست می‌آید. تقسیم کننده‌ها و OADM‌های توری براگ فیبری تنظیم پذیر هستند. در یک تقسیم کننده و OADM تنظیم پذیر، طول موج براگ توری براگ فیبری به وسیله کرنش اعمالی به یک مبدل پیزوالکتریک تنظیم می‌شود.

حسگرهای توری براگ فیبری

علاوه بر کرنش، توری براگ به دما نیز حساس است. این حساست بدین معناست که توری براگ فیبری را به عنوان عنصر حساس در حسگرهای فیبر نوری می توان به کار برد. در حسگرهای فیبر نوری، نمونه مورد اندازه گیری باعث تغییر در طول موج براگ $\Delta \lambda_B$ می‌شود. تغییر نسبی در طول موج براگ،$\Delta \lambda_B/\lambda_B$، به خاطر کرنش اعمالی ($\epsilon$)وتغییر در دما ($\Delta T$)به طور تقریبی با معادله زیر داده می‌شود:

$\left[\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B}\right]= C_S\epsilon + C_T\Delta T$

یا

$\left[\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B}\right]= (1-p_e)\epsilon + (\alpha_\Lambda + \alpha_n)\Delta T$

در اینجا$C_S$ ضریب کرنش است که به ضریب کرنش نوری $p_e$ مربوط می‌شود. همچنین$C_T$ ضریب دماست که از ضریب نمایی دمایی فیبر نوری$\alpha_\Lambda$وضریب گرمانوری $\alpha_n$ تشکیل می‌شود. توری‌های براگ فیبری را می توان مستقیما به عنوان عنصر حساس در حسگرهای فیبری به کار برد. همچنین می توان از آنها به عنوان عناصر مبدل، تبدیل خروجی حسگرهای دیگر، که تغییر دما و کرنش نمونه مورد اندازه گیری را تولید می‌کند، استفاده کرد. مثلاٌ حسگرهای گاز توری براگ فیبری از یک پوشش جاذب استفاده می‌کند، که در صورت وجود انبساط گاز کرنشی ایجاد می‌کند، که به وسیله توری قابل اندازه گیری است. از لحاظ فنی، مواد جاذب عناصر حساس هستند که میزان گاز را به کرنش تبدیل می‌کنند. سپس توری براگ کرنش را به تغییر طول موج تبدیل می‌کند. توری‌های براگ فیبری خصوصاٌ برای استفاده در کاربردهای تجهیزاتی مانند حسگرهای فشار و لرزه شناسی برای محیط‌های نامطلوب و به عنوان حسگرهای درون چاه در چاه‌های نفت و گاز برای اندازه گیری اثرات فشار بیرونی، دما، ارتعاشات لرزه شناسی و اندازه گیری شار خطی به کار می‌رود. این حسگرها مزیت‌های قابل ملاحظه‌ای بر وسایل رایج الکترونیکی که برای این کاربردها استفاده می‌شدند و حساسیت کمتری به ارتعاشات و گرما داشتند دارند.

جستارهای وابسته

• قانون براگ
• پراش
• توری پراش
• آینه دی الکتریک
• حسگر هیدروژنی
• توری فیبری با تناوب بلند
• فیبر کریستال فوتونی
• حسگر دمایی توزیع شده به وسیله فیبر نوری

منابع

• {{یادکرد-ویکی

|پیوند = http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fiber_Bragg_grating&oldid=501001366 |عنوان = Fiber Bragg grating |زبان = انگلیسی |بازیابی = 6 جولای