Estructura de Bragg de fibra abordada

Una estructura de Bragg de fibra direccionable ( AFBS ) es una rejilla de Bragg de fibra cuya respuesta en frecuencia óptica incluye dos componentes de banda estrecha con un espaciado de frecuencia entre ellas (que es la frecuencia de direccionamiento de la AFBS) en el rango de radiofrecuencia (RF) . El espaciado de frecuencia (la frecuencia de direccionamiento) es único para cada AFBS en el circuito de interrogación y no cambia cuando la AFBS se somete a tensión o variación de temperatura . Una estructura de Bragg de fibra direccionable puede realizar una triple función en sistemas de sensores de fibra óptica : sensor , conformador de radiación de sondeo de doble frecuencia y multiplexor . La característica clave de la AFBS es que permite definir su longitud de onda central sin escanear su respuesta espectral, a diferencia de las rejillas de Bragg de fibra (FBG) convencionales, que se sondean mediante interrogadores optoelectrónicos. Un circuito de interrogación de AFBS es significativamente más sencillo que los interrogadores convencionales y consta de una fuente óptica de banda ancha (como un diodo superluminiscente ), un filtro óptico con una respuesta en frecuencia lineal inclinada 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 direccionamiento en un único sistema de medición.

El concepto de estructuras de Bragg de fibra dirigidas fue introducido en 2018 por Airat Sakhabutdinov ^{[ 1 ]} y desarrollado en colaboración con su asesor científico, Oleg Morozov. La idea surgió de trabajos anteriores de Morozov y sus colegas, ^{[ 2 ] [ 3 ]} donde la radiación óptica de doble frecuencia de un modulador electroóptico se utilizó para definir la longitud de onda central de la FBG basándose en el 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 la FBG al tiempo que proporciona alta precisión en las mediciones y reduce el coste 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 del modulador de fuente al propio sensor. ^{[ 1 ]}

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.

La figura 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 y luego entra en los dos AFBS 2.1 y 2.2 . Ambos AFBS transmiten radiaciones de dos frecuencias que se suman en una radiación combinada (diagrama b ) mediante otro acoplador 10. A 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 en frecuencia lineal inclinada predefinida, que modifica las amplitudes de la radiación de cuatro frecuencias para convertirlas en radiación asimétrica (diagrama d ). Posteriormente, la señal se envía al fotodetector 4 y es recibida por el convertidor analógico-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 la potencia óptica de salida, y luego es recibida por el ADC de referencia 8. De esta manera, 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 de 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, utilizando el cual se pueden definir las frecuencias centrales de los 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.