Адресная волоконная брэгговская структура Российский патент 2025 года по МПК G02B6/34 G01D5/26 

Изобретение относится к области волоконно-оптических сенсоров, построенных на основе волоконных брэгговских решёток или базирующихся на них структурам. Оно может быть использовано при измерении различных физических величин, таких как деформация, температура, давление и т.д. в системах контроля деформации изделий из композитных материалов, на объектах энергоснабжения, инженерных сооружениях и др. Адресная волоконная брэгговская структура - это такая структура в оптическом волокне, которая удовлетворяет следующему набору требований: 1) При направлении на АВБС широкополосного лазерного излучения с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, в оптическом диапазоне формируется сигнал состоящий, как минимум из двух узкополосных компонент, разность между спектральным положением которых, много меньше несущей оптической частоты и находится в радиочастотной области спектра. 2) Разностная частота между двумя сформированными спектральными компонентами, служащая адресом АВБС, инвариантна к воздействию физических полей и не меняется при смещении центральной частоты АВБС. 3) Полная ширина на половине высоты каждой спектральной составляющей, которые образуют двухчастотный сигнал, одинакова и много меньше разностной частоты.

Известны как минимум, два подхода к формированию АВБС с инвариантным расстоянием между её частотными компонентами при воздействии на неё физических полей [Морозов О.Г., Сахабутдинов А.Ж. Адресные волоконные брэгговские структуры в квазираспределённых радиофотонных сенсорных системах. Компьютерная оптика, 8ое Мая 2019, Т. 43, №4, с. 535-543]. Первым подходом, является использование двух идентично разнесённых по длине волны сверхузкополосных ВБР (2λ-ВБР), в виде двух последовательно расположенных участков записи ВБР-компонент в одном оптическом волокне. Спектр отражения 2λ-ВБР, подверженной широкополосному лазерному излучению, представляет собой двухчастотный сигнал, каждая составляющая которого расположена на центральной длине волны соответствующей ей ВБР-компоненты. Вторым - применение ВБР с двумя симметричными фазовыми π сдвигами (2π-ВБР), состоящей из трёх последовательно записанных ВБР-компонент с фазовыми π-сдвигами между ними. Широкополосное лазерное излучение, прошедшее через 2π-ВБР, формирует двухчастотный сигнал в области окон прозрачности, соответствующих спектральному расположению двух симметричных фазовых π-сдвигов вблизи центральной длины волны решётки, находящейся по середине.

Недостатком указанных аналогов является увеличение длины таких двухкомпонентных АВБС более чем в два раза, что приводит к увеличению их габаритных размеров, а следовательно и области контакта, тем самым ограничивая возможность проведения точечных измерений. Особенно это становится проблематично при использовании АВБС с более чем двумя частотными составляющими, где длина такой структуры значительно увеличивается, при этом расширяя область соприкосновения с местом испытания.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, выбранным в качестве прототипа, является АВБС c параллельным методом муаровой записи [Min R., Marques C., Bang O., Ortega B. Moiré phase-shifted fiber Bragg gratings in polymer optical fibers. Optical Fiber Technology, 1st May 2018, Vol. 41, №13, pp. 78-81]. Согласно этому методу, в оптическом волокне с помощью фазовой маски записывают одну ВБР-компоненту с длиной L₁ и центральной длиной волны λ₁, а по верх неё, после растяжения оптического волокна на величину ΔL, записывают вторую ВБР-компоненту длиной L₂ = L₁+ΔL, используя ту же фазовую маску. Как результат, после сжатия оптического волокна к изначальным размерам, вторая ВБР-компонента имеет длину равную L₁, но другую центральную длину волны λ₂. Таким образом, суммарная длина АВБС остаётся равной длине одной ВБР-компонены, предоставляя возможность проведения точечных измерений.

Представленная структура по прототипу имеет недостатки, в виде того, что алгоритм муаровой записи АВБС, включает в себя применение высокоточных подвижек для растяжения оптического волокна, а также использование дополнительной системы контроля его положения, что обуславливает трудоёмкость процесса. Более того, получение чётких профилей составляющих ВБР при такой конфигурации становится проблематичным, перекрытие штрихов решёток в данной структуре записи вызывает искажение спектра отражения АВБС.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении метода записи АВБС, при этом оставляя возможность осуществления точечных измерений, благодаря неизменной длине формируемой структуры.

Технический результат достигается за счёт того, что в процессе формировании АВБС каждая её частотная составляющая образуется с помощью ВБР, имеющей свою собственную центральную длину волны λ_k, где k=1, …, N, а N - натуральное число и N≥2, записываются в отдельных волокнах, а затем они располагаются параллельно и соединяются в первой точке до начала участка записи ВБР-компонент с помощью оптического разветвителя и во второй точке после участка записи ВБР-компонент с помощью оптического объединителя, при этом участки записи в каждом из волокон имеют одинаковую длину L₁, предоставляя при этом возможность осуществления точечных измерений, благодаря тому, что высота N параллельно установленных отрезков оптических волокон H_N<<L₁, где H_N=d₁+…+d_N, а d₁, …, d_N - диаметр каждого из них.

На чертеже изображена сформированная АВБС, где 1₁-1_N+2 - оптические одномодовые волокна, 2₁-2_N - волоконные решётки Брэгга, где N - натуральное число и N≥2, 3 - оптический разветвитель, 4 - оптический объединитель.

Принцип создания представленной АВБС заключается в следующем. В оптические волокна 1₁-1_N диаметров d₁, …, d_N с помощью аргон-ионного лазера с внутрирезонаторным удвоителем частоты (на чертеже не показан) и интерферометрической схемы Ллойда (на чертеже не показана) поочерёдно записываются волоконные решётки Брэгга 2₁-2_N одной длины L₁, но с разными центральными длинами волн λ₁-λ_N, таким образом, что каждому оптическому волоку соответствует только одна ВБР с центральной длиной волны λ_k, причём разность длин волн между любой парой λ_N∪λ₁; λ_k уникальна и находится в радиодиапазоне, где k=1, …, N, а N - натуральное число и N≥2. Далее, покомпонентная АВБС образуется путём последовательного соединения 1_N+1 отрезка оптического волокна без ВБР, оптического разветвителя 3 с N количеством выходов, 1₁-1_N оптических волокон, в которых записаны волоконные решётки Брэгга 2₁-2_N, оптического объединителя 4 с N количеством входов и 1_N+1 отрезка оптического волокна. Причём каждое оптическое волокно с записанной в нём ВБР-компонентой соединяется с одним соответствующим ему входом оптического объединителя и выходом оптического разветвителя, кроме того все оптические волокна расположены вплотную и параллельно друг другу так, что границы участков записи ВБР-компонент длинной L₁ полностью совпадали. Как итог, спектр отражения предложенной АВБС, подверженной широкополосному лазерному излучению, представляет собой оптический сигнал, состоящий из N количества сверхузких частотных компонент, каждая из которых расположена на центральной длине волны соответствующей ей ВБР.

АВБС может быть реализована на следующих элементах:

• оптические волокна 1₁-1_N+2 - одномодовое волокно SMF-28 1550 нм различных производителей. Например: эталонные шнуры или кабели на волокне SMF-28 фирмы Corning, ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ», АО «ОФС РУС Волоконно-Оптическая Кабельная Компания», ЗАО "Самарская оптическая кабельная компания", ЗАО "ВИКТАН" - ПРЕДСТАВИТЕЛЬ В РФ ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ", Broadcom Limited (Сингапур и США), Fiber Instrument Sales Inc. (США), Eoptolink Technology Inc., Ltd. (Китай), Sumix (США), OPTOKON a.s. (Чехия), Optoway Technologies Inc. (Тайвань), Kamaxoptic Communication Co., Ltd. (Шэньчжэнь, Китай), Kaiphone Technology Co., Ltd. (Китай), Industrial Fiber Optics (США), Allray Inc. (Китай), Nestor Cables Oy (Финляндия) и т.д;

• волоконные решётки Брэгга 2₁-2_N - дифракционные решётки, записанные в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань);

• оптические разветвитель 3, оптические объединитель 4 - оптические сплиттеры ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ».

По сравнению с прототипом, предложенное изобретение позволяет решить поставленную задачу проведения точечных измерений за счёт своих малых габаритных размеров и при этом достичь технического результата значительного упрощения процесса формирования АВБС, за счёт записи каждой ВБР-компоненты в отдельном волокне, с последующим их параллельным соединением.

Дополнительным преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с прототипом, является возможность формирования АВБС с большим чем две количеством частотных составляющих, за счёт параллельного соединения N ВБР-компонент, где N - натуральное число и N>2, при этом не вызывая перекрытия их профилей, что позволяет осуществить переход к мультиадресной структуре.

Изобретение относится к области волоконно-оптических сенсоров, построенных на основе волоконных брэгговских решёток (ВБР) или структур на их основе. Адресная волоконная брэгговская структура (АВБС) содержит первый отрезок оптического волокна с записанной в нем ВБР длиной L₁, имеющей центральную длину волны λ₁. Кроме него АВБС включает последовательно соединённые (N+1)-й отрезок оптического волокна без ВБР, оптический разветвитель с количеством выходов N, к которым присоединены первый отрезок оптического волокна и N-1 количество отрезков оптических волокон, в каждом из которых записаны ВБР той же длины L₁, но c разными центральными длинами волн λ_k, так что разность длин волн между любой парой λ_N∪λ₁; λ_k уникальна и находится в радиодиапазоне, оптический объединитель с N входами и (N+2)-й отрезок оптического волокна, где k=2, …, N, а N - натуральное число, где N≥2. Каждый выход оптического разветвителя соединён только с одним соответствующим ему отрезком оптического волокна с записанными ВБР, которые в свою очередь соединены только с одним соответствующим входом оптического объединителя, причём все отрезки оптического волокна расположены вплотную и параллельно друг другу так, что границы участков записи ВБР-компонент длиной L₁ полностью совпадают. Технический результат изобретения заключается в уменьшении общей длины АВБС и упрощении процесса её изготовления. 1 ил.

Адресная волоконная брэгговская структура, состоящая из отрезка оптического волокна с записанной ВБР длиной L₁, имеющей центральную длину волны λ₁, отличающаяся тем, что дополнительно содержит последовательно соединённые (N+1)-й отрезок оптического волокна без ВБР, оптический разветвитель с количеством выходов N, к которым присоединены первый отрезок оптического волокна и N-1 количество отрезков оптических волокон, в каждом из которых записаны ВБР той же длины L₁, но c разными центральными длинами волн λ_k, так что разность длин волн между любой парой λ_N∪λ₁; λ_k уникальна и находится в радиодиапазоне, оптический объединитель с N входами и (N+2)-й отрезок оптического волокна, где k=2, …, N, а N - натуральное число, где N≥2, причём каждый выход оптического разветвителя соединён только с одним соответствующим ему отрезком оптического волокна с записанными ВБР, которые в свою очередь соединены только с одним соответствующим входом оптического объединителя, причём все отрезки оптического волокна расположены вплотную и параллельно друг другу так, что границы участков записи ВБР-компонент длиной L₁ полностью совпадают.