Was ist ein Faser-Bragg-Gitter?

Herstellungsprozess

Ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) ist eine typischerweise wenige Millimeter lange, in den Kern einer Standard-Singlemode-Faser eingeschriebene Mikrostruktur. Dazu wird ein UV-Laserstrahl transversal auf die Faser gerichtet und mithilfe einer Phasenmaske ein Interferenzmuster im Kern der Faser erzeugt, das eine bleibende Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Quarzglasmatrix bewirkt (Abb. 1). Im Kern entsteht eine periodische Modulation des Brechungsindex, wodurch eine Resonanzstruktur erzeugt wird.

Der Durchmesser der Faser, die durch eine Primärbeschichtung geschützt ist, beträgt 250 Mikrometer. Ohne diese Beschichtung hat die Faser einen Durchmesser von 125 Mikrometern. Das Licht breitet sich im Wesentlichen im Kern aus; dessen Durchmesser beträgt ca. 8 Mikrometer.

Vorteile

Anwendung

Als Resonanzstruktur reflektiert das Faser-Bragg-Gitter selektiv Wellenlängen; es ist ein Schmalbandfilter. Das bedeutet: wenn Licht von einer Quelle mit großer Bandbreite in den Lichtwellenleiter eingebracht wird, wird am Gitter nur Licht einer sehr begrenzten spektralen Breite um die Bragg-Wellenlänge reflektiert. Die restlichen Anteile des Lichts setzen ihren Weg durch den Lichtwellenleiter ohne Dämpfung bis zum nächsten Bragg-Gitter fort (Abb. 2).
Die Bragg-Wellenlänge ist im Wesentlichen definiert durch die Periode der Mikrostruktur (Gitterperiode) und den Brechungsindex des Kerns.
Das Faser-Bragg-Gitter ist symmetrisch und reflektiert daher Licht immer im Bereich der Bragg-Wellenlänge, egal von welcher Seite das Licht kommt.

Abbildung 2 (oben links: eingestrahltes Lichtspektrum, oben rechts: transmittiertes Lichtspektrum, Mitte: Glasfaser mit FBG im Kern; Darstellung des transmittierten und des reflektierten Lichts; unten links: reflektiertes Lichtspektrum)

Funktion als Dehnungssensor

Ein Faser-Bragg-Gitter hat eindeutige Kenndaten, wenn man es als Sensor betrachtet. Streckt oder staucht man zum Beispiel die Faser, misst das FBG Dehnung. Grund dafür ist im Wesentlichen, dass eine Verformung des Lichtwellenleiters eine Veränderung der Gitterperiode und daher der Bragg-Wellenlänge verursacht (Abb. 3).

Funktion als Temperatursensor

Die Temperaturempfindlichkeit ist ebenfalls ein wesentlicher Faktor im Zusammenhang mit Faser-Bragg-Gittern. In diesem Fall ist die durch den thermooptischen Effekt verursachte Änderung des Brechungsindex des Quarzglases der Hauptfaktor für die Veränderung der Bragg-Wellenlänge (Abb. 4). Einen weiteren Beitrag leistet die Wärmeausdehnung, die die Gitterperiode verändert. Dieser Effekt ist jedoch nebensächlich, da Quarzglas nur einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

Multiplexfähigkeit

Einer der Hauptvorzüge dieser Technologie ist ihre inhärente Multiplexfähigkeit. Tatsächlich können Hunderte von Faser-Bragg-Gittern in einen einzigen Lichtwellenleiter eingeschrieben werden, im Abstand von nur wenigen Millimetern oder einigen Kilometern voneinander (Abb. 5). Durch geeignete Zusammenstellung kann jede dieser Mikrostrukturen auch auf andere Parameter als Temperatur oder Dehnung reagieren, z.B. Druck, Beschleunigung, Weg, etc. wodurch die Sensoranordnung multifunktional wird. Unbedingt betont werden sollte, dass alle Sensoren über eine einzige optische Quelle angesprochen werden können. Darüber hinaus kommt es durch Hinzufügen weiterer Sensoren kaum zu Dämpfung und nicht zu Übersprechen, solange für jeden Sensor eine ausreichende spektrale Breite des Bandes des Lichtspektrums reserviert ist (Abb. 6).

Vorteile

Ein Bragg-Gitter bietet alle Vorteile, die Lichtwellenleiter-basierten Sensoren üblicherweise zugeschrieben werden: geringe Dämpfung pro Faserstrecke, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen und hochfrequenten Feldern, geringe Größe und Gewicht, sicherer Betrieb in Gefahrstoffumgebung, hohe Empfindlichkeit und Langzeitzuverlässigkeit. Weitere Merkmale der Faser-Bragg-Gitter-Technologie sind ihre Multiplexfähigkeit und die Tatsache, dass ohne Referenzierung absolute Messungen geliefert werden können. Dadurch wird sie zum natürlichen Gegenstück zur konventionellen elektrischen Sensortechnologie.

Produkte im Einsatz

Messprinzip eines Faser-Bragg-Gitters

Das Faser-Bragg-Gitter (FBG) ist eine periodische Mikrostruktur, die selektiv Wellenlängen reflektiert. Das bedeutet: wenn Licht von einer Quelle mit großer Bandbreite in den Lichtwellenleiter eingebracht wird, wird am Gitter nur Licht einer sehr begrenzten spektralen Breite um die Bragg-Wellenlänge reflektiert. Die restlichen Anteile des Lichts setzen ihren Weg durch den Lichtwellenleiter ohne Dämpfung bis zum nächsten Bragg-Gitter fort. Das Faser-Bragg-Gitter ist symmetrisch und reflektiert daher Licht immer im Bereich der Bragg-Wellenlänge, egal von welcher Seite das Licht kommt.

Die Bragg-Wellenlänge (λ_B) ist im Wesentlichen definiert durch die Periode der Mikrostruktur (Gitterperiode) (Λ) und den Brechungsindex des Kerns (n_ef).

Gleichung 1

Die Temperaturempfindlichkeit ist ebenfalls ein wesentliches Merkmal von Faser-Bragg-Gittern. In diesem Fall ist die durch den thermooptischen Effekt verursachte Änderung des Brechungsindex des Quarzglases der Hauptfaktor für die Veränderung der Bragg-Wellenlänge. Einen weiteren Beitrag leistet die Wärmeausdehnung, die die Gitterperiode verändert. Dieser Effekt ist jedoch nebensächlich, da Quarzglas nur einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

Dehnungsabhängigkeit von Faser-Bragg-Gittern (FBG)

Die Dehnungsabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters kann durch Differenzieren der Wellenlänge bestimmt werden:

Gleichung 2

Wobei:

ße – Dehnungsempfindlichkeit

pe – Photoelastische Konstante (Änderung des Brechungsindex durch axiale Spannung)

pe für den Lichtwellenleiter ist:

Daher kann die Dehnungsempfindlichkeit eines FBG ausgedrückt werden durch:

Gleichung 3

Für ein FBG@1550nm (typische Wellenlänge), die Dehnungsempfindlichkeit kann vereinfacht werden zu:

Gleichung 4

Temperaturabhängigkeit von Faser-Bragg-Gittern (FBG)

Ähnlich wie die Dehnungsabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters kann die Temperaturabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters durch Differenzieren der Wellenlänge bestimmt werden (Gleichung 1):

Gleichung 5

Wobei:
α – Temperaturempfindlichkeit des Bragg-Gitters
ζ – Thermooptischer Koeffizient (Abhängigkeit des Brechungsindex von der Temperatur)

Zur Näherung der Temperaturempfindlichkeit können wir annehmen, dass diese Werte für den Temperaturbereich konstant sind:
α= 0.55x10^-6/ºC
ζ= 5.77 x10^-6/ºC

Daher kann die Temperaturempfindlichkeit näherungsweise ausgedrückt werden durch: