ตะแกรงไฟเบอร์แบร็ก
ไฟเบอร์แบรกเกรตติ้ง ( FBG ) เป็น ตัวสะท้อนแสงแบรกเกรตติ้งแบบกระจายชนิดหนึ่งที่สร้างขึ้นในส่วนสั้นๆ ของใยแก้วนำแสงซึ่งสะท้อน แสงที่ มีความยาวคลื่น เฉพาะ และส่งผ่านแสงอื่นๆ ทั้งหมด โดยทำได้โดยการสร้างการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในดัชนีหักเห ของแกนใยแก้ว ซึ่งสร้าง กระจกไดอิเล็กทริกเฉพาะความยาวคลื่นดังนั้นไฟเบอร์แบรกเกรตติ้งจึงสามารถใช้เป็นตัวกรองแสงแบบ อินไลน์ เพื่อบล็อกความยาวคลื่นบางช่วง สามารถใช้สำหรับการใช้งานด้านการตรวจจับ[ 1 ]หรือสามารถใช้เป็นตัวสะท้อนแสงเฉพาะความยาวคลื่นได้

ประวัติศาสตร์
ตะแกรงแบร็กในเส้นใยตัวแรกได้รับการสาธิตโดยKen Hillในปี 1978 [ 2 ]ในตอนแรก ตะแกรงถูกสร้างขึ้นโดยใช้เลเซอร์ที่มองเห็นได้ซึ่งแพร่กระจายไปตามแกนของเส้นใย ในปี 1989 Gerald Meltz และเพื่อนร่วมงานได้สาธิตเทคนิคการจารึกโฮโลแกรมตามขวางที่มีความยืดหยุ่นมากกว่ามาก โดยที่แสงเลเซอร์มาจากด้านข้างของเส้นใย เทคนิคนี้ใช้รูปแบบการรบกวนของแสงเลเซอร์อัลตราไวโอเลต[ 3 ]เพื่อสร้างโครงสร้างเป็นระยะของตะแกรงแบร็กเส้นใย
ทฤษฎี
หลักการพื้นฐานในการทำงานของ FBG คือการสะท้อนแบบเฟรสเนลซึ่งแสงที่เดินทางระหว่างตัวกลางที่มีดัชนีหักเหต่างกัน อาจทั้งสะท้อนและหักเหที่บริเวณรอยต่อได้
โดยทั่วไป ดัชนีหักเหจะสลับกันไปตามความยาวที่กำหนด ความยาวคลื่นสะท้อน (ความยาวคลื่นแบร็ก (Bragg wavelength) ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์ดังนี้
ที่ไหนคือดัชนีหักเหประสิทธิผลของแกนไฟเบอร์ และคือคาบของตะแกรง ดัชนีหักเหประสิทธิผลจะวัดความเร็วของแสงที่แพร่กระจายเมื่อเทียบกับความเร็วของแสงในสุญญากาศค่าดัชนีหักเห ของแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับโหมดที่แสงแพร่กระจายด้วย (สำหรับท่อนำแสงแบบหลายโหมด) ด้วยเหตุนี้จึงเรียกอีกอย่างว่าดัชนีหักเหของแสงตามโหมด
ระยะห่างของความยาวคลื่นระหว่างค่าต่ำสุดแรก (จุดศูนย์ ดูรูปที่ 2) หรือแบนด์วิดท์ (), (ในขีดจำกัดของเกรตติ้งที่แข็งแกร่ง) กำหนดโดย,
ที่ไหนคือการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเห (), และคือสัดส่วนของพลังงานในแกนกลาง โปรดทราบว่าการประมาณนี้ใช้ไม่ได้กับตะแกรงที่อ่อนแอซึ่งความยาวของตะแกรงมีขนาดไม่ใหญ่เมื่อเทียบกับ \.
การสะท้อนสูงสุด () มีค่าโดยประมาณดังนี้
ที่ไหนคือจำนวนของการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ สมการเต็มสำหรับกำลังสะท้อน () กำหนดโดย
ที่ไหน,
ประเภทของตะแกรง
ในบริบทนี้คำว่าประเภท หมายถึงกลไก ความไวต่อแสง พื้นฐาน ที่ทำให้เกิดแถบเกรตติ้งในเส้นใย วิธีการสร้างแถบเกรตติ้งที่แตกต่างกันนั้นมีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพของเกรตติ้งที่ผลิตขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งการตอบสนองต่ออุณหภูมิและความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูง จนถึงปัจจุบัน มีการรายงาน FBG ห้า (หรือหก) ประเภทที่มีกลไกความไวต่อแสงพื้นฐานที่แตกต่างกัน[ 4 ]ซึ่งสรุปได้ดังนี้:
ตะแกรงมาตรฐาน หรือแบบที่ 1
แผ่นกระจายแสงชนิดที่ 1 (Type I grating) สามารถผลิตได้ทั้งในเส้นใยไฮโดรเจนและไม่ไฮโดรเจนทุกประเภท โดยทั่วไปเรียกว่าแผ่นกระจายแสงมาตรฐาน และผลิตในเส้นใยทุกประเภทภายใต้สภาวะการเติมไฮโดรเจนทุกแบบ โดยปกติแล้ว สเปกตรัมการสะท้อนของแผ่นกระจายแสงชนิดที่ 1 จะเท่ากับ 1-T โดยที่ T คือสเปกตรัมการส่งผ่าน ซึ่งหมายความว่าสเปกตรัมการสะท้อนและการส่งผ่านเป็นส่วนเติมเต็มกัน และมีการสูญเสียแสงจากการสะท้อนเข้าไปในชั้นหุ้มหรือจากการดูดซับน้อยมาก แผ่นกระจายแสงชนิดที่ 1 เป็นชนิดที่ใช้กันมากที่สุดในบรรดาแผ่นกระจายแสงทุกชนิด และเป็นชนิดเดียวที่มีจำหน่ายทั่วไปในขณะที่เขียนบทความนี้
ตะแกรงแบบ Type IA
ตะแกรงที่สร้างขึ้นใหม่หลังจากลบตะแกรงประเภท I ในเส้นใยเจอร์มาโนซิลิเกตไฮโดรเจนทุกประเภท
ตะแกรงประเภท IA ถูกสังเกตพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2544 [ 5 ]ระหว่างการทดลองที่ออกแบบมาเพื่อกำหนดผลกระทบของการบรรจุไฮโดรเจนต่อการก่อตัวของตะแกรง IIA ในเส้นใยเจอร์มาโนซิลิเกต ตรงกันข้ามกับการลดลงที่คาดการณ์ไว้ (หรือ 'การเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน') ของความยาวคลื่นแบร็กของตะแกรง กลับพบว่ามีการเพิ่มขึ้นอย่างมาก (หรือ 'การเลื่อนไปทางสีแดง')
งานวิจัยในภายหลังแสดงให้เห็นว่า การเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่นแบร็กก์เริ่มขึ้นเมื่อตะแกรงแบบที่ 1 เริ่มต้นมีค่าการสะท้อนสูงสุดและเริ่มอ่อนลง ด้วยเหตุนี้จึงถูกเรียกว่าตะแกรงที่สร้างขึ้นใหม่ (regenerated grating)
จากการตรวจสอบค่า สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของตะแกรงชนิด IA พบว่ามีค่าต่ำกว่าตะแกรงมาตรฐานที่สร้างขึ้นภายใต้สภาวะที่คล้ายคลึงกัน
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการจารึกของตะแกรงประเภท IA และ IIA คือตะแกรง IA เขียนในเส้นใยไฮโดรเจน ในขณะที่ตะแกรงประเภท IIA เขียนในเส้นใยที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน[ 6 ] [ 7 ]
ตะแกรงแบบ Type IIA หรือ Type In
สิ่งเหล่านี้คือตะแกรงที่เกิดขึ้นเมื่อส่วนที่เป็นลบของการเปลี่ยนแปลงดัชนีที่เหนี่ยวนำแซงหน้าส่วนที่เป็นบวก โดยปกติจะเกี่ยวข้องกับการผ่อนคลายความเครียดที่เหนี่ยวนำอย่างค่อยเป็นค่อยไปตามแกนและ/หรือที่ส่วนต่อประสาน มีการเสนอว่าตะแกรงเหล่านี้สามารถติดฉลากใหม่เป็นประเภท In (สำหรับตะแกรงประเภท 1 ที่มีการเปลี่ยนแปลงดัชนีเป็นลบ ฉลากประเภท II อาจสงวนไว้สำหรับตะแกรงที่ทำขึ้นอย่างชัดเจนเหนือเกณฑ์ความเสียหายของกระจก) [ 8 ]
งานวิจัยต่อมาโดย Xie et al. แสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของเกรตติ้งอีกประเภทหนึ่งที่มีคุณสมบัติความเสถียรทางความร้อนคล้ายกับเกรตติ้งประเภท II เกรตติ้งนี้แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเชิงลบในดัชนีเฉลี่ยของเส้นใยและถูกเรียกว่าประเภท IIA เกรตติ้งถูกสร้างขึ้นในเส้นใยเจอร์มาโนซิลิเกตด้วยพัลส์จากเลเซอร์ย้อมสี ที่ปั๊มด้วย XeCl ที่มีความถี่คู่ แสดงให้เห็นว่าการเปิดรับแสงครั้งแรกทำให้เกิดเกรตติ้งมาตรฐาน (ประเภท I) ภายในเส้นใยซึ่งมีการเลื่อนไปทางสีแดงเล็กน้อยก่อนที่จะถูกลบออก การเปิดรับแสงเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าเกรตติ้งก่อตัวขึ้นใหม่ซึ่งมีการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินอย่างต่อเนื่องในขณะที่ความแข็งแรงเพิ่มขึ้น[ 9 ] [ 10 ]
ตะแกรงที่สร้างใหม่
สิ่งเหล่านี้คือตะแกรงที่เกิดใหม่ที่อุณหภูมิสูงขึ้นหลังจากลบตะแกรง ซึ่งโดยปกติจะเป็นตะแกรงประเภท I และโดยปกติ แม้จะไม่เสมอไป จะเกิดขึ้นในสภาวะที่มีไฮโดรเจน มีการตีความในหลายวิธี รวมถึงการแพร่ของสารเจือปน (ออกซิเจนเป็นการตีความที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน) และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแก้ว งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่ามีระบอบการสร้างใหม่ที่เหนือกว่าการแพร่ ซึ่งตะแกรงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,295 °C ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าตะแกรงเฟมโตวินาทีประเภท II ด้วยซ้ำ[ 11 ]สิ่งเหล่านี้มีความน่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงมาก
ตะแกรงแบบที่ 2
การสร้างลวดลายด้วยการกระตุ้นด้วยโฟตอนหลายตัวโดยใช้เลเซอร์ที่มีความเข้มสูงกว่าเกณฑ์ความเสียหายของแก้ว เลเซอร์ที่ใช้มักจะเป็นแบบพัลส์เพื่อให้ได้ความเข้มสูงดังกล่าว ซึ่งรวมถึงการพัฒนาล่าสุดในการกระตุ้นด้วยโฟตอนหลายตัวโดยใช้พัลส์เฟมโตวินาที ซึ่งช่วงเวลาสั้นๆ (เทียบเท่ากับช่วงเวลาการผ่อนคลายเฉพาะที่) ทำให้เกิดการจำกัดตำแหน่งเชิงพื้นที่ของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน โครงสร้างอสัณฐานของแก้วมักจะถูกเปลี่ยนรูปผ่านเส้นทางการแตกตัวเป็นไอออนและการหลอมเหลวที่แตกต่างกัน เพื่อให้ได้การเปลี่ยนแปลงดัชนีที่สูงขึ้น หรือสร้างช่องว่างที่ล้อมรอบด้วยแก้วที่มีความหนาแน่นมากกว่าผ่านการระเบิดขนาดเล็ก
Archambault และคณะได้แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างตะแกรงที่มีการสะท้อนแสงประมาณ 100% (>99.8%) ด้วยพัลส์ UV เพียงครั้งเดียวในเส้นใยบนเครื่องดึงเส้นใย ตะแกรงที่ได้นั้นมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูงถึง 800 °C (สูงถึง 1,000 °C ในบางกรณี และสูงกว่านั้นหากใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีในการสร้าง) ตะแกรงเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ พัลส์ 40 mJ เพียงครั้งเดียวจากเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ที่ความยาวคลื่น 248 nm นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่ามีเกณฑ์ที่ชัดเจนที่ประมาณ 30 mJ เหนือระดับนี้ การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเพิ่มขึ้นมากกว่าสองอันดับความ magnitud ในขณะที่ต่ำกว่า 30 mJ การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามพลังงานพัลส์ เพื่อความสะดวกในการระบุ และเพื่อรับรู้ถึงความแตกต่างที่ชัดเจนในความเสถียรทางความร้อน พวกเขาจึงเรียกตะแกรงที่ผลิตต่ำกว่าเกณฑ์ว่าตะแกรงประเภท I และตะแกรงที่สูงกว่าเกณฑ์ว่าตะแกรงประเภท II การตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ของตะแกรงเหล่านี้แสดงให้เห็นร่องรอยความเสียหายเป็นระยะที่ตำแหน่งของตะแกรงภายในเส้นใย [10] ดังนั้นตะแกรงประเภท II จึงเรียกอีกอย่างว่าตะแกรงที่เสียหาย อย่างไรก็ตาม รอยแตกเหล่านี้สามารถจำกัดอยู่ในบริเวณแคบๆ เพื่อไม่ให้มีบทบาทสำคัญในการสูญเสียการกระเจิงหากเตรียมอย่างเหมาะสม[ 12 ] [ 13 ]
โครงสร้างตะแกรง
โครงสร้างของ FBG สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยอาศัยดัชนีหักเหหรือคาบของตะแกรง คาบของตะแกรงอาจเป็นแบบสม่ำเสมอหรือแบบไล่ระดับ และอาจอยู่เฉพาะที่หรือกระจายอยู่ในโครงสร้างขนาดใหญ่ ดัชนีหักเหมีลักษณะสำคัญสองประการ คือ โปรไฟล์ของดัชนีหักเหและค่าชดเชย โดยทั่วไป โปรไฟล์ของดัชนีหักเหอาจเป็นแบบสม่ำเสมอหรือแบบปรับความเรียบ และค่าชดเชยของดัชนีหักเหจะเป็นบวกหรือศูนย์
มีโครงสร้างทั่วไปหกแบบสำหรับ FBG; [ 14 ]
- การเปลี่ยนแปลงดัชนีที่เป็นบวกอย่างสม่ำเสมอ
- ปรับแต่ง ด้วยGaussian apodized
- อะโพไดอะไลซ์โคไซน์ยกสูง
- ส่งเสียงร้องเจื้อยแจ้ว
- การเลื่อนเฟสแบบไม่ต่อเนื่อง และ
- โครงสร้างส่วนบน
ตะแกรงที่ซับซ้อนชิ้นแรกถูกสร้างขึ้นโดย J. Canning ในปี 1994 [ 15 ]ซึ่งสนับสนุนการพัฒนาเลเซอร์ไฟเบอร์ แบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB) ตัวแรก และยังวางรากฐานสำหรับตะแกรงที่ซับซ้อนส่วนใหญ่ที่ตามมา รวมถึงตะแกรงแบบสุ่มตัวอย่างที่สร้างขึ้นครั้งแรกโดย Peter Hill และเพื่อนร่วมงานในออสเตรเลีย
ตะแกรงแบบอะโพไดซ์
โดยพื้นฐานแล้วมีปริมาณสองอย่างที่ควบคุมคุณสมบัติของ FBG ได้แก่ ความยาวของตะแกรงโดยกำหนดให้เป็น
และความแข็งแรงของตะแกรงอย่างไรก็ตาม มีคุณสมบัติสามประการที่ต้องควบคุมใน FBG ได้แก่ ค่าการสะท้อนแสง แบนด์วิดท์ และความแรงของไซด์โลบ ดังแสดงข้างต้นในขีดจำกัดของเกรตติ้งที่แข็งแรง (เช่น สำหรับค่ามาก)แบนด์วิดท์ขึ้นอยู่กับความแรงของตะแกรง ไม่ใช่ความยาวของตะแกรง ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้ความแรงของตะแกรงในการกำหนดแบนด์วิดท์ได้ ส่วนความยาวของตะแกรงนั้น...จากนั้นจึงสามารถใช้ค่านี้ในการตั้งค่าการสะท้อนสูงสุด ซึ่งขึ้นอยู่กับทั้งความแรงของตะแกรงและความยาวของตะแกรง ผลลัพธ์ที่ได้คือ ความแรงของคลื่นด้านข้างไม่สามารถควบคุมได้ และการปรับให้เหมาะสมอย่างง่ายนี้ส่งผลให้เกิดคลื่นด้านข้างจำนวนมาก ปริมาณที่สามที่สามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อช่วยในการลดคลื่นด้านข้าง คือการปรับค่าดัชนีหักเหให้เข้าใกล้ศูนย์ คำว่า การปรับค่าดัชนีหักเหให้เข้าใกล้ศูนย์ หมายถึงการไล่ระดับดัชนีหักเหให้เข้าใกล้ศูนย์ที่ปลายตะแกรง ตะแกรงที่ปรับค่าดัชนีหักเหให้เข้าใกล้ศูนย์แล้ว จะช่วยลดคลื่นด้านข้างได้อย่างมาก ในขณะที่ยังคงรักษาค่าการสะท้อนและแบนด์วิดท์แคบไว้ได้ ฟังก์ชันสองฟังก์ชันที่ใช้ในการปรับค่าดัชนีหักเหให้เข้าใกล้ศูนย์สำหรับ FBG โดยทั่วไปคือ ฟังก์ชันเกาส์เซียนและฟังก์ชันโคไซน์ยกกำลัง
ตะแกรงแบร็กไฟเบอร์แบบชิป
สามารถปรับเปลี่ยนโปรไฟล์ดัชนีหักเหของตะแกรงเพื่อเพิ่มคุณสมบัติอื่นๆ ได้ เช่น การเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นของคาบตะแกรง ซึ่งเรียกว่าชิป (chirp ) ความยาวคลื่นสะท้อนจะเปลี่ยนแปลงไปตามคาบตะแกรง ทำให้สเปกตรัมสะท้อนกว้างขึ้น ตะแกรงที่มีชิปจะมีคุณสมบัติในการเพิ่มการกระจายตัวกล่าวคือ ความยาวคลื่นที่สะท้อนจากตะแกรงจะมีค่าความล่าช้าต่างกัน คุณสมบัตินี้ถูกนำไปใช้ในการพัฒนา ระบบเสาอากาศ แบบเฟสอาร์เรย์และ การชดเชย การกระจายตัวของโหมดโพลาไรเซชันด้วยเช่นกัน
ตะแกรงไฟเบอร์แบร็กแบบเอียง
ใน FBG มาตรฐาน การไล่ระดับหรือการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหจะอยู่ตามความยาวของเส้นใย ( แกนแสง ) และโดยทั่วไปจะสม่ำเสมอทั่วความกว้างของเส้นใย ใน FBG แบบเอียง (TFBG) การเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหจะทำมุมกับแกนแสง มุมเอียงใน TFBG มีผลต่อความยาวคลื่นสะท้อนและแบนด์วิดท์
ตะแกรงคาบยาว
โดยทั่วไปแล้วคาบของตะแกรงจะมีขนาดเท่ากับความยาวคลื่นแบร็ก ดังแสดงข้างต้นสำหรับตะแกรงที่สะท้อนที่ 1,500 นาโนเมตร คาบของตะแกรงคือ 500 นาโนเมตร โดยใช้ดัชนีหักเห 1.5 สามารถใช้คาบที่ยาวกว่าเพื่อให้ได้การตอบสนองที่กว้างกว่าที่ทำได้ด้วย FBG มาตรฐาน ตะแกรงเหล่านี้เรียกว่าตะแกรงไฟเบอร์แบบคาบยาวโดยทั่วไปจะมีคาบของตะแกรงอยู่ในช่วง 100 ไมโครเมตร ถึงหนึ่งมิลลิเมตร จึงผลิตได้ง่ายกว่ามาก[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
ตะแกรงแบร็กไฟเบอร์แบบเลื่อนเฟส
ตะแกรงแบร็กไฟเบอร์แบบเปลี่ยนเฟส (PS-FBGs) เป็นโครงสร้างตะแกรงประเภทสำคัญที่มีการใช้งานที่น่าสนใจในด้านการสื่อสารและการตรวจจับด้วยแสงเนื่องจากคุณลักษณะการกรองพิเศษ[ 19 ]ตะแกรงประเภทนี้สามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างได้ผ่านบรรจุภัณฑ์และการออกแบบระบบแบบพิเศษ[ 20 ]
มีการใช้การเคลือบโครงสร้างการเลี้ยวเบนที่แตกต่างกันสำหรับไฟเบอร์แบรกเกรตติ้งเพื่อลดผลกระทบทางกลต่อการเลื่อนความยาวคลื่นแบรกเกรตติ้งลง 1.1–15 เท่า เมื่อเทียบกับท่อนำคลื่นที่ไม่มีการเคลือบ[ 21 ]
โครงสร้างไฟเบอร์แบร็กที่กล่าวถึง
โครงสร้างไฟเบอร์แบรกก์แบบระบุตำแหน่ง (AFBS)เป็น FBG ประเภทใหม่ที่พัฒนาขึ้นเพื่อลดความซับซ้อนของการสอบถามและเพิ่มประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์แบบ FBG การตอบสนองความถี่ แสง ของ AFBS มีรอยบากแบบแถบความถี่แคบสองรอย โดยระยะห่างของความถี่ระหว่างรอยบากอยู่ใน ช่วง ความถี่วิทยุ (RF)ระยะห่างของความถี่นี้เรียกว่าความถี่ระบุตำแหน่งของ AFBS และเป็นเอกลักษณ์สำหรับ AFBS แต่ละตัวในระบบ ความยาวคลื่นกลางของ AFBS สามารถกำหนดได้โดยไม่ต้องสแกนการตอบสนองสเปกตรัม ซึ่งแตกต่างจาก FBG ทั่วไปที่ถูกตรวจสอบโดยตัวสอบถามแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ วงจรการสอบถามของ AFBS นั้นง่ายขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับตัวสอบถามทั่วไป และประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงแบบบรอดแบนด์ ตัวกรองแสงที่มีการตอบสนองความถี่เชิงเส้นเอียงที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และโฟโตดีเทคเตอร์[ 22 ] [ 23 ]
ผลิต
ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้งถูกสร้างขึ้นโดยการ "สลัก" หรือ "เขียน" การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหอย่างเป็นระบบ (เป็นคาบหรือไม่เป็นคาบ) ลงในแกนกลางของใยแก้วนำแสงชนิดพิเศษโดยใช้ แหล่งกำเนิดรังสี อัลตราไวโอเลต (UV) ที่มีความเข้มสูง เช่นเลเซอร์ UV มีกระบวนการหลักสองอย่างที่ใช้คือการแทรกสอดและการมาสก์วิธีที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับชนิดของเกรตติ้งที่จะผลิต แม้ว่าใยแก้วนำแสงโพลีเมอร์จะเริ่มได้รับความสนใจในการวิจัยในช่วงปี 2000 แต่ใยแก้วซิลิกาที่เจือด้วยเจอร์มาเนียม ก็เป็นที่นิยมใช้มากที่สุด [ 24 ]ใยแก้วที่เจือด้วย เจอร์มาเนียม มีความไวต่อแสง ซึ่งหมายความว่าดัชนีหักเหของแกนกลางจะเปลี่ยนแปลงเมื่อสัมผัสกับแสง UV ปริมาณการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเข้มและระยะเวลาของการสัมผัส รวมถึงความไวต่อแสงของใยแก้วด้วย ในการเขียนไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้งที่มีการสะท้อนแสงสูงลงในใยแก้วโดยตรง ระดับการเจือด้วยเจอร์มาเนียมจะต้องสูง อย่างไรก็ตาม สามารถใช้ใยแก้วมาตรฐานได้หากความไวต่อแสงเพิ่มขึ้นโดยการแช่ใยแก้วในไฮโดรเจนก่อน
การรบกวน
นี่เป็นวิธีการแรกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง และใช้หลักการแทรกสอดของ ลำแสงสองลำ โดย เลเซอร์ UV จะถูกแยกออกเป็นสองลำแสงซึ่งจะแทรกสอดกัน ทำให้เกิดการกระจายความเข้มเป็นระยะๆ ตามรูปแบบการแทรกสอด ดัชนีหักเหของเส้นใยไวแสงจะเปลี่ยนแปลงไปตามความเข้มของแสงที่ได้รับ วิธีนี้ช่วยให้สามารถเปลี่ยนความยาวคลื่นแบร็กได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย ซึ่งมีความสัมพันธ์โดยตรงกับคาบการแทรกสอดและเป็นฟังก์ชันของมุมตกกระทบของแสงเลเซอร์
การเขียนตามลำดับ
โปรไฟล์ตะแกรงที่ซับซ้อนสามารถผลิตได้โดยการฉายตะแกรงขนาดเล็กจำนวนมากที่ซ้อนทับกันบางส่วนตามลำดับ คุณสมบัติขั้นสูง เช่น การเปลี่ยนเฟสและความลึกของการมอดูเลชันที่แปรผันได้ สามารถนำมาใช้ได้โดยการปรับคุณสมบัติที่สอดคล้องกันของตะแกรงย่อย[ 25 ]ในเวอร์ชันแรกของวิธีการนี้ ตะแกรงย่อยถูกสร้างขึ้นโดยการฉายด้วยพัลส์ UV แต่วิธีนี้มีข้อเสียหลายประการ เช่น ความผันผวนของพลังงานในพัลส์ที่มาก และกำลังเฉลี่ยต่ำ วิธีการเขียนแบบต่อเนื่องด้วยรังสี UV ต่อเนื่องที่สามารถเอาชนะปัญหาเหล่านี้ได้ ได้รับการสาธิตและนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว[ 26 ]เส้นใยไวแสงจะถูกเลื่อนโดยตัวเลื่อนแบบใช้ลมที่ควบคุมด้วยการแทรกสอด ลำแสง UV ที่แทรกสอดจะถูกโฟกัสไปที่เส้นใย และเมื่อเส้นใยเคลื่อนที่ แถบจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นใยโดยการเลื่อนกระจกในเครื่องแทรกสอด เนื่องจากกระจกมีช่วงจำกัด จึงต้องตั้งค่าใหม่ทุกรอบ และแถบจะเคลื่อนที่ในรูปแบบฟันเลื่อย พารามิเตอร์ทั้งหมดของตะแกรงสามารถเข้าถึงได้ในซอฟต์แวร์ควบคุม ดังนั้นจึงสามารถสร้างโครงสร้างตะแกรงแบบใดก็ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์ใดๆ
หน้ากากภาพถ่าย
อาจใช้โฟโตมาสก์ที่มีคุณสมบัติของตะแกรงตามที่ต้องการในการผลิตไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้งได้เช่นกัน โดยวางโฟโตมาสก์ไว้ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงยูวีและเส้นใยไวแสง เงาของโฟโตมาสก์จะกำหนดโครงสร้างของตะแกรงตามความเข้มของแสงที่ส่องผ่านเส้นใย โฟโตมาสก์ถูกใช้โดยเฉพาะในการผลิตไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้งแบบชิป ซึ่งไม่สามารถผลิตได้โดยใช้รูปแบบการแทรกสอด
ทีละจุด
อาจใช้ลำแสง เลเซอร์ UV เพียงลำเดียวในการ 'เขียน' ตะแกรงลงในเส้นใยทีละจุด โดยเลเซอร์จะมีลำแสงแคบเท่ากับคาบของตะแกรง ความแตกต่างหลักของวิธีนี้อยู่ที่กลไกการปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีเลเซอร์อินฟราเรดกับวัสดุไดอิเล็กทริก ได้แก่ การดูดซับแบบหลายโฟตอนและ การแตกตัว เป็นไอออนแบบอุโมงค์[ 27 ]วิธีนี้ใช้ได้ผลดีกับการสร้างตะแกรงเส้นใยที่มีคาบยาว โดยเฉพาะ นอกจากนี้ยังใช้การสร้างตะแกรงแบบเอียงทีละจุดด้วย
การผลิต
เดิมที การผลิตเส้นใยนำแสงไวแสงและการ "เขียน" แผ่นกระจายแสงแบบแบร็ก (Fiber Bragg Grating) นั้นทำแยกกัน แต่ปัจจุบัน สายการผลิตโดยทั่วไปจะดึงเส้นใยจากแท่งตั้งต้นและ "เขียน" แผ่นกระจายแสงในขั้นตอนเดียว ซึ่งนอกจากจะช่วยลดต้นทุนและเวลาแล้ว ยังช่วยให้สามารถผลิตแผ่นกระจายแสงแบบแบร็กได้ในปริมาณมาก การผลิตในปริมาณมากนี้ช่วยอำนวยความสะดวกในการใช้งานในโครงสร้างอัจฉริยะที่ใช้แผ่นกระจายแสงแบบแบร็กจำนวนมาก (3000 แผ่น) ฝังอยู่ตามความยาวของเส้นใยเพียงเส้นเดียว
แอปพลิเคชัน
การสื่อสาร
การใช้งานหลักของไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง (FBG) คือในระบบสื่อสารด้วยแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้เป็นตัวกรองแบบน็อตช์ (notch filter ) นอกจากนี้ยังใช้ในออปติคอลมัลติเพล็กเซอร์และดีมัลติเพล็กเซอร์ร่วมกับออปติคอลเซอร์ จิสเตอร์ หรือออปติคอลแอดดรอปมัลติเพล็กเซอร์ (OADM) รูปที่ 5 แสดงช่องสัญญาณ 4 ช่อง ซึ่งแสดงด้วยสี 4 สี ที่ตกกระทบ FBG ผ่านออปติคอลเซอร์จิสเตอร์ FBG ถูกตั้งค่าให้สะท้อนช่องสัญญาณหนึ่งช่อง ในที่นี้คือช่องสัญญาณที่ 4 สัญญาณจะสะท้อนกลับไปยังเซอร์จิสเตอร์ ซึ่งจะถูกส่งลงและตัดออกจากระบบ เนื่องจากช่องสัญญาณถูกตัดออกไปแล้ว จึงสามารถเพิ่มสัญญาณอื่นในช่องสัญญาณนั้นได้ที่จุดเดียวกันในเครือข่าย
ตัวแยกสัญญาณ (demultiplexer) สามารถสร้างได้โดยการต่ออนุกรมส่วนดรอป (drop section) ของ OADM หลายส่วน โดยแต่ละส่วนดรอปจะใช้ FBG ที่ตั้งค่าไว้ที่ความยาวคลื่นที่จะแยกสัญญาณ ในทางกลับกัน ตัวรวมสัญญาณ (multiplexer) สามารถสร้างได้โดยการต่ออนุกรมส่วนบวก (add section) ของ OADM หลายส่วน ตัวแยกสัญญาณ FBG และ OADM ยังสามารถปรับแต่งได้ ในตัวแยกสัญญาณหรือ OADM ที่ปรับแต่งได้ ความยาวคลื่นแบร็กของ FBG สามารถปรับได้โดยการใช้แรงดึงจากตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกความไวของ FBG ต่อแรงดึงจะกล่าวถึงต่อไปในหัวข้อเซ็นเซอร์ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง
เซ็นเซอร์ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง
นอกจากจะไวต่อแรงดึงแล้ว ความยาวคลื่นแบร็กยังไวต่ออุณหภูมิ อีกด้วย ซึ่งหมายความว่าเกรตติ้งแบร็กแบบไฟเบอร์สามารถใช้เป็นองค์ประกอบตรวจจับในเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสง ได้ ในเซ็นเซอร์ FBG ปริมาณที่วัดได้จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความยาวคลื่นแบร็กการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของความยาวคลื่นแบร็กก์เนื่องจากแรงดึงที่กระทำ () และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ () มีค่าโดยประมาณดังนี้
หรือ,
ที่นี่,คือค่าสัมประสิทธิ์ความเครียดซึ่งมีความสัมพันธ์กับค่าสัมประสิทธิ์ความเครียดเชิงแสง. อีกด้วย,คือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิซึ่งประกอบด้วยค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของใยแก้วนำแสงและค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมออปติก[ 28 ]
แผ่นกระจายแสงแบบไฟเบอร์แบร็ก (Fiber Bragg grating) สามารถใช้เป็นองค์ประกอบตรวจจับโดยตรงสำหรับความเครียดและอุณหภูมิได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นองค์ประกอบการแปลงสัญญาณ โดยแปลงเอาต์พุตของเซ็นเซอร์อื่นที่สร้างการเปลี่ยนแปลงความเครียดหรืออุณหภูมิจากสิ่งที่วัดได้ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์วัดก๊าซแบบไฟเบอร์แบร็กใช้สารเคลือบดูดซับ ซึ่งเมื่อมีก๊าซอยู่จะขยายตัวทำให้เกิดความเครียด ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยแผ่นกระจายแสง ในทางเทคนิคแล้ว วัสดุดูดซับคือองค์ประกอบตรวจจับที่แปลงปริมาณก๊าซเป็นความเครียด จากนั้นแผ่นกระจายแสงจะแปลงความเครียดเป็นการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้งกำลังถูกนำ ไปใช้ในแอปพลิเคชันด้านเครื่องมือวัด เช่นแผ่นดินไหววิทยา [ 29 ]เซ็นเซอร์ความดันสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมาก และเป็นเซ็นเซอร์ใต้ดินในบ่อน้ำมันและก๊าซสำหรับการวัดผลกระทบของความดันภายนอก อุณหภูมิ การสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว และการวัดการไหล แบบอินไลน์ ด้วยเหตุนี้จึงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือเกจอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมที่ใช้สำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้ เนื่องจากมีความไวต่อการสั่นสะเทือนหรือความร้อนน้อยกว่า และด้วยเหตุนี้จึงมีความน่าเชื่อถือมากกว่ามาก ในช่วงทศวรรษ 1990 มีการดำเนินการวิจัยเพื่อวัดความเครียดและอุณหภูมิในวัสดุคอมโพสิตสำหรับโครงสร้างเครื่องบินและเฮลิคอปเตอร์[ 30 ] [ 31 ]
ตะแกรงแบร็กไฟเบอร์ที่ใช้ในเลเซอร์ไฟเบอร์
เมื่อไม่นานมานี้ การพัฒนาเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงได้สร้างชุดการใช้งานใหม่สำหรับไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง (FBG) ซึ่งทำงานที่ระดับพลังงานที่ก่อนหน้านี้คิดว่าเป็นไปไม่ได้ ในกรณีของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบง่าย FBG สามารถใช้เป็นตัวสะท้อนแสงสูง (HR) และตัวเชื่อมต่อเอาต์พุต (OC) เพื่อสร้างโพรงเลเซอร์ การขยายสัญญาณของเลเซอร์นั้นได้มาจากเส้นใยนำแสงที่เจือด้วยธาตุหายาก โดยรูปแบบที่พบมากที่สุดคือการใช้ไอออน Yb 3+เป็นไอออนเลเซอร์ที่ใช้งานอยู่ในเส้นใยซิลิกา เลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วย Yb เหล่านี้ทำงานที่ ระดับพลังงาน CW 1 kW เป็นครั้งแรกในปี 2547 [ 32 ]โดยอาศัยโพรงแบบอิสระ แต่ไม่ได้แสดงให้เห็นว่าทำงานร่วมกับโพรงไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้งจนกระทั่งอีกนานต่อมา[ 33 ]
อุปกรณ์แบบโมโนลิธิกที่ใช้ใยแก้วนำแสงทั้งหมดนี้ ผลิตโดยบริษัทหลายแห่งทั่วโลก และมีกำลังไฟฟ้าสูงกว่า 1 กิโลวัตต์ ข้อได้เปรียบหลักของระบบใยแก้วนำแสงทั้งหมดนี้ ซึ่งแทนที่กระจกสะท้อนแสงในพื้นที่ว่างด้วยแผ่นกระจายแสงแบบไฟเบอร์แบร็ก (FBG) คู่หนึ่ง คือ การกำจัดความจำเป็นในการปรับแนวใหม่ตลอดอายุการใช้งานของระบบ เนื่องจาก FBG ถูกเชื่อมต่อโดยตรงกับใยแก้วนำแสงที่เจือสาร และไม่จำเป็นต้องปรับแต่งใดๆ ความท้าทายคือการใช้งานโพรงแบบโมโนลิธิกเหล่านี้ที่ระดับกำลังไฟฟ้าต่อเนื่องระดับกิโลวัตต์ในใยแก้วนำแสงที่มีพื้นที่โหมดขนาดใหญ่ (LMA) เช่น 20/400 ( แกนกลางเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ไมโครเมตร และปลอกหุ้มด้านในเส้นผ่านศูนย์กลาง 400 ไมโครเมตร) โดยไม่เกิดความเสียหายก่อนกำหนดที่จุดเชื่อมต่อภายในโพรงและแผ่นกระจายแสง เมื่อได้รับการปรับให้เหมาะสมแล้ว โพรงแบบโมโนลิธิกเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องปรับแนวใหม่ตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ ทำให้ไม่ต้องทำความสะอาดและลดการเสื่อมสภาพของพื้นผิวใยแก้วนำแสงในตารางการบำรุงรักษาของเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม การบรรจุและการเพิ่มประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อและ FBG เองนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายที่ระดับพลังงานเหล่านี้ เช่นเดียวกับการจับคู่เส้นใยต่างๆ เนื่องจากองค์ประกอบของเส้นใยที่เจือด้วย Yb และเส้นใยแบบพาสซีฟและไวต่อแสงต่างๆ จำเป็นต้องจับคู่อย่างระมัดระวังตลอดทั้งห่วงโซ่เลเซอร์ไฟเบอร์ แม้ว่าความสามารถในการจัดการพลังงานของเส้นใยเองจะเกินระดับนี้มาก และอาจสูงถึง >30 kW CW แต่ขีดจำกัดในทางปฏิบัติจะต่ำกว่ามากเนื่องจากความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบและการสูญเสียการเชื่อมต่อ[ 34 ]
กระบวนการจับคู่เส้นใยแอคทีฟและพาสซีฟ
ในเส้นใยหุ้มสองชั้นจะมีตัวนำคลื่นสองอัน ได้แก่ แกนที่เจือด้วย Yb ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวนำคลื่นสัญญาณ และตัวนำคลื่นหุ้มชั้นในสำหรับแสงปั๊ม ชั้นหุ้มชั้นในของเส้นใยแอคทีฟมักจะมีรูปร่างที่ทำให้โหมดการหุ้มกระจัดกระจายและเพิ่มการทับซ้อนของแสงปั๊มกับแกนที่เจือสาร การจับคู่เส้นใยแอคทีฟและพาสซีฟเพื่อปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณต้องอาศัยการปรับศูนย์กลางของแกน/ชั้นหุ้มให้เหมาะสม และ MFD ผ่านเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนและ NA ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการเชื่อมต่อ โดยหลักแล้วจะทำได้โดยการปรับปรุงข้อกำหนดของเส้นใยที่เกี่ยวข้องทั้งหมดให้เข้มงวดขึ้น[ 35 ]
การจับคู่เส้นใยเพื่อปรับปรุงการเชื่อมต่อปั๊มต้องอาศัยการปรับเส้นผ่านศูนย์กลางของปลอกหุ้มสำหรับทั้งเส้นใยแบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟ เพื่อเพิ่มปริมาณพลังงานปั๊มที่เชื่อมต่อเข้ากับเส้นใยแบบแอคทีฟให้สูงสุด เส้นใยแบบแอคทีฟจึงถูกออกแบบให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางของปลอกหุ้มที่ใหญ่กว่าเส้นใยแบบพาสซีฟที่ส่งพลังงานปั๊มเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น เส้นใยแบบพาสซีฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของปลอกหุ้ม 395 ไมโครเมตรที่ต่อเข้ากับเส้นใยแบบแอคทีฟรูปแปดเหลี่ยมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของปลอกหุ้ม 400 ไมโครเมตร จะช่วยปรับปรุงการเชื่อมต่อพลังงานปั๊มเข้ากับเส้นใยแบบแอคทีฟ ภาพของการเชื่อมต่อดังกล่าวแสดงให้เห็นปลอกหุ้มรูปทรงของเส้นใยแบบสองชั้นที่มีการเจือสาร[ 36 ]
การจับคู่เส้นใยแอคทีฟและพาสซีฟสามารถปรับให้เหมาะสมได้หลายวิธี วิธีที่ง่ายที่สุดในการจับคู่แสงที่นำสัญญาณคือการมีค่า NA และเส้นผ่านศูนย์กลางแกนที่เหมือนกันสำหรับแต่ละเส้นใย อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ไม่ได้คำนึงถึงคุณลักษณะทั้งหมดของโปรไฟล์ดัชนีหักเห การจับคู่ MFD ก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ใช้ในการสร้างเส้นใยนำสัญญาณที่จับคู่กันได้ มีการแสดงให้เห็นว่าการจับคู่ส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ทำให้ได้ชุดเส้นใยที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างเครื่องขยายสัญญาณและเลเซอร์กำลังสูง โดยพื้นฐานแล้ว MFD จะถูกจำลองขึ้น และค่า NA และเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเป้าหมายที่ได้จะถูกพัฒนาขึ้น แท่งแกนจะถูกสร้างขึ้น และก่อนที่จะดึงเป็นเส้นใย จะมีการตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางแกนและค่า NA ของมัน จากการวัดดัชนีหักเห อัตราส่วนแกน/ปลอกสุดท้ายจะถูกกำหนดและปรับให้เข้ากับ MFD เป้าหมาย วิธีการนี้คำนึงถึงรายละเอียดของโปรไฟล์ดัชนีหักเหซึ่งสามารถวัดได้ง่ายและมีความแม่นยำสูงบนพรีฟอร์ม ก่อนที่จะดึงเป็นเส้นใย[ 36 ]
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- FOSNE ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 25 สิงหาคม 2552 ที่Wayback Machine - เครือข่ายตรวจจับใยแก้วนำแสงแห่งยุโรป
- ตะแกรงแบร็ก (Bragg gratings) ในการตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐานใต้น้ำ