Cos'è la fibra a griglia di Bragg?

La fibra a griglia di Bragg (FBG) è una microstruttura lunga tipicamente alcuni millimetri, il cui nucleo può essere inscritto (fotoinciso) con una fibra standard di telecomunicazione monomodale. Ciò viene effettuato illuminando trasversalmente la fibra con un raggio laser UV ed utilizzando una maschera di fase per generare un modello d'interferenza sul suo nucleo, il quale provocherà un cambiamento permanente nella caratteristica fisica nella matrice di silice (Fig. 1). Questo cambiamento consiste in una modulazione spaziale periodica dell'indice di rifrazione del nucleo, creando così una struttura risonante.

Il diametro della fibra, protetta dal rivestimento primario, è di 250 micrometri. Senza tale rivestimento, il diametro della fibra è di 125 micrometri. La luce viaggia essenzialmente all'interno del nucleo, il cui diametro è di circa 8 micrometri.

Funzionamento

Quale struttura risonante, la fibra a griglia di Bragg agisce come uno specchio selettivo delle lunghezze d'onda ed è perciò un filtro a banda stretta. Ciò significa che quando una luce proveniente da una sorgente a banda larga viene introdotta nella fibra ottica, solo quella con una larghezza spettrale molto stretta, centrata sulla lunghezza d'onda di Bragg, verrà riflessa indietro dalla griglia. La luce restante continuerà il suo percorso nella fibra ottica fino alla successiva griglia di Bragg senza subire alcuna perdita (Fig. 2).

La lunghezza d'onda di Bragg viene essenzialmente definita dal periodo della microstruttura e dall'indice di rifrazione del nucleo.

La fibra a griglia di Bragg è una struttura simmetrica, per cui rifletterà sempre la luce alla lunghezza d'onda di Bragg, senza che il lato da cui essa proviene abbia alcuna importanza.

Figura 2 (in alto a sinistra: spettro della luce introdotta; in alto a destra: spettro della luce trasmessa; in centro: fibra ottica con un FBG nel suo nucleo; raffigurazione della luce trasmessa e riflessa; in basso a sinistra: spettro della luce rifless

Esercizio come sensore di deformazione

La fibra a griglia di Bragg possiede una caratteristica univoca per comportarsi come un sensore. Ad esempio, quando la fibra viene tirata o compressa, la FBG misurerà delle deformazioni. Ciò accade sostanzialmente perché la deformazione della fibra ottica provoca il cambiamento del periodo della microstruttura e, di conseguenza, della lunghezza d'onda di Bragg (Fig. 3).

Esercizio come sensore di temperatura

Anche la sensibilità alla temperatura è intrinseca nella fibra a griglia di Bragg. In tal caso, il contributo principale al cambiamento della lunghezza d'onda è la variazione dell'indice di rifrazione della silice, indotta dall'effetto termo-ottico (Fig. 4). Si aggiunge anche il contributo della dilatazione termica, che altera il periodo della microstruttura. Tuttavia quest'ultimo effetto è marginale, dato il basso coefficiente di dilatazione termica della silice.

Multiplexing

Uno dei principali vantaggi di questa tecnologia è la sua capacita intrinseca di multiplexing. Infatti, su una singola fibra ottica si possono inscrivere centinaia di griglie di Bragga, poste a pochi millimetri una dall'altra o separate da alcuni chilometri (Fig. 5). Con adeguato impaccamento, ognuna di queste microstrutture può essere resa sensibile a grandezze diverse dalla temperatura o deformazione, ad esempio pressione, accelerazione, spostamento, ecc., consentendo alla schiera di sensori una caratteristica multifunzionale. È importante sottolineare il fatto che tutti i sensori possono essere rilevati utilizzando una singola sorgente ottica. L'aggiunta di un numero sempre maggiore di sensori sulla stessa fibra comporta solo minori perdite e minor diafonia purché sia sufficiente la banda spettrale dello spettro di luce riservata per ogni sensore (Fig. 6).

I vantaggi

Essendo un sensore a fibra ottica, la griglia di Bragg possiede tutti i vantaggi attribuiti a questi tipi di trasduttori, vale a dire: bassa perdite (attenuazione) rispetto alla lunghezza della fibra, immunità alle interferenze elettromagnetiche e radiofrequenze, piccole dimensioni e basso peso, sicura operatività a sicurezza intrinseca in ambienti caratterizzati a materiale con pericolo di esplosione, elevata sensibilità ed affidabilità a lungo termine. Inoltre, la tecnologia delle fibre a griglia di Bragg possiede un'intrinseca capacita di multiplexing seriale ed è in grado di fornire misure assolute senza la necessita di impiegare i riferimenti. Tutto ciò rende questa tecnologia la naturale alternativa a quella elettrica convenzionale.

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Qual è il principio di misura della Fibra a Griglia di Bragg?

La Fibra a Griglia di Bragg è una microstruttura periodica che agisce riflettendo selettivamente le lunghezze d'onda come uno specchio. Ciò significa che se la luce proveniente da una sorgente a banda larga viene introdotta nella fibra ottica, solo quella avente una larghezza di banda spettrale molto stretta, centrata sulla lunghezza d'onda di Bragg, verrà riflessa indietro dalla griglia. La luce restante continuerà il suo percorso lungo la fibra ottica fino alla successiva griglia di Bragg senza subire alcuna perdita. La fibra a griglia di Bragg è una struttura simmetrica, per cui rifletterà sempre la luce alla lunghezza d'onda di Bragg, senza che il lato da cui essa proviene abbia alcuna importanza.

La lunghezza d'onda di Bragg (λ_B) viene essenzialmente definita dal periodo della microstruttura e dall'indice di rifrazione del nucleo (nef).

Equazione 1

La fibra a griglia di Bragg possiede una caratteristica univoca per comportarsi come un sensore. Ad esempio, quando la fibra viene tirata o compressa, la FBG misurerà delle deformazioni. Ciò accade sostanzialmente perché la deformazione della fibra ottica provoca il cambiamento del periodo della microstruttura e, di conseguenza, della lunghezza d'onda di Bragg. A causa dell'effetto fotoelastico, si ha anche un certo contributo della variazione dell'indice di rifrazione.

Anche la sensibilità alla temperatura è intrinseca alla fibra a griglia di Bragg. In tal caso, il contributo principale al cambiamento della lunghezza d'onda è la variazione dell'indice di rifrazione della silice, indotta dall'effetto termo-ottico. Si aggiunge anche il contributo della dilatazione termica, la quale altera il periodo della microstruttura. Tuttavia quest'ultimo effetto è marginale, dato il basso coefficiente di dilatazione termica della silice.

Dipendenza dalla deformazione della Fibra a Griglia di Bragg (FBG)

La dipendenza alla deformazione della fibra a griglia di Bragg si determina derivando la lunghezza d'onda:

Equazione 2

ove:

ß_e – sensibilità alla deformazione della griglia di Bragg
p_e – costante fotoelastica (variazione dell'indice di rifrazione con tensione assiale)

Il p_e della fibra ottica è:

Ne consegue che la Sensibilità alla deformazione della FBG è data dall'espressione

Equazione 3

la quale, per FBG @1550 nm è:

Equazione 4

Dipendenza dalla temperatura della Fibra a Griglia di Bragg (FBG)

Similmente alla dipendenza dalla deformazione della Fibra a Griglia di Bragg (FBG), la dipendenza alla temperatura si determina derivando l'espressione della lunghezza d'onda (Equazione 1):

Equazione 5

ove:

– sensibilità termica della griglia di Bragg
– coefficiente di dilatazione termica della fibra
– coefficiente termo-ottico (dipendenza dell'indice di rifrazione dalla temperatura )

Per semplificare il calcolo della sensibilità alla temperatura, si può presumere che questi valori restino costanti per il campo di temperatura:
= 0.55x10-6/ºC
= 5.77 x10-6/ºC

Per cui la sensibilità termica approssimativa è data da