ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ АДРЕСНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ СТРУКТУРЫ - НОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ РАДИОФОТОННЫХ МНОГОСЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2023 СТЕНДОВЫЕ

ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ АДРЕСНЫЕ ВОЛОКОННЫЕ БРЭГГОВСКИЕ СТРУКТУРЫ - НОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ РАДИОФОТОННЫХ МНОГОСЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

Морозов О.Г. *, Сахабутдинов А.Ж., Нуреев И.И., Мисбахов Рус.Ш., Кузнецов А.А., Аглиуллин Т.А., Артемьев В.И., Иванов А.А.

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань * E-mail: ogmorozov@kai.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-504-505

Четырехкомпонентная адресная волоконная брэгговская структура (ЧАВБС) - это квазипериодическая структура, сформированная в сердцевине оптического волокна, спектральный отклик от которой в оптическом диапазоне представляет собой четырехчастотный сигнал, локализованный в «узкой» части спектра, разностные частоты между составляющими которого много меньше (на пять и более порядков) несущих оптических частот и соответствуют радиочастотной области спектра. Характерной особенностью ЧАВБС является инвариантность указанных разностных частот при наложении на структуру деформационных или температурных полей, что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов измерительных систем с обеспечением адресных свойств, при этом разностные частоты называются адресными. При этом каждая структура ВБР в структуре ЧАВБС имеет фазовый п-сдвиг.

Рассмотрим вариант АВБС комбинированного типа, которая содержит две идентичные разнесенные по длине волны сверхузкополосные ВБР в каждой из которых сформирован фазовый п-сдвиг (2/./7Г-ВБР) (рис. 1).

Рис. 1. Адресная ЧВБС: (а) - структура, (б) - условная спектральная характеристика отражения

Данная структура позволит формировать адреса как в гига-, так и мегагерцовом диапазоне, что снизит стоимость радиофотонного интеррогатора по фотоприемнику, различать малые уходы двух близкорасположенных АВБС в многосенсорной системе при возможном перекрытии их спектров, использовать их работу как на отражение, так и на пропускание.

При построении математической модели адресной волоконной брэгговской структуры комбинированного типа применялся метод матриц передач. Выбор метода обусловлен возможностью моделирования различных неоднородных волоконных брэгговских структур, в том числе волоконных брэгговских решеток с одним и более фазовыми сдвигами. Для построения 2А/л-ВБР, согласно методу матриц передач, необходимо разбить волоконную брэгговскую структуру на четыре секции, где между первой, второй и третьей, четвертой секциями будет внесен фазовый сдвиг, при этом периоды первой и второй секции не должны быть равны периодам третьей и четвертой секции.

Матрица передачи каждой секции Sm(X) описывается следующим образом:

Sm (X) =

-i- q(X) - l

e■q(X)■ l - r(X)2- e 1 - r(X)2 r(X)- e--q(X)- l - r(X)- ei-q(X)- l

-r (X)- e--q(X)- ' + r (X)- e

iq(X)-1

1 - r(X)2

ri-q(X)- l - r(X)2. ei-q(X>l

(1)

1 - г(!)2 1 - г(!)2

где I - длина секции, г = [д(А,) - оР(^)]/ k, q(k) =^оР(Г)2 - к2 , Р(^) = 2л(1Д - ) - параметр расстройки контура, - центральная длина волны ВБР, к = п-ап /ХБ - постоянная распространения, ап = птос1 / пе-д- - индекс модуляции коэффициента преломления, птс^а - величина наведенного показателя преломления ВБР, п^ - эффективный показатель преломления сердцевины волокна.

ВКВ0-2023- СТЕНДОВЫЕ

Фазовый сдвиг в спектре ВБР формируется с помощью специальной матрицы ^ф:

S =

0

(2)

^ 0 еф

где ф - величина фазового сдвига.

Результирующая матрица волоконной брэгговской решетки с одним фазовым сдвигом (А) запишется в виде произведения матриц передачи первой и второй секции и одной матрицы фазового сдвига:

^(к) = 51(к) • • ЗД. (3)

Выражение для спектра пропускания ВБР одним фазовым сдвигом будет иметь вид [69]:

Ts (X) =

Ses W„ -

S (Ц, • S (X)2I

res v '12 res v '¿l

(4)

[69]:

5„ (к)22

Выражение для спектра отражения ВБР одним фазовым сдвигом будет иметь следующий вид

Kes (X =

S (X),

res v '2

(^22

Спектральную характеристику отражения 2к-ВБР можно определить, как:

Я2У^ (к) = ЯгеЛ (к) + Яге^2 (к).

где Яге^(к) и Яг^2(к) - коэффициенты отражения первой и второй решеток, соответственно. Полученный спектр отражения ЧАВБС комбинированного типа представлен на рис. 2.

(5)

(6)

Л

Дю

Дш,

Рис. 2. Спектр отражения ЧАВБС

Полученный спектр отражения иллюстрирует возможность применения систем на основе ЧАВБС при различных режимах работы схемы, а именно при работе на пропускание и при работе на отражения, поскольку в обоих случаях присутствуют адресные частоты, обозначенные на рис. 2 Аю| и Дю2 соответственно. При анализе полученного спектр отражения адресной волоконной брэгговской структуры комбинированного типа были определены основные разностные частоты. В случае работы схемы на пропускание адресная частота Дю| = 23 ГГц, а при работе схемы на отражение Дю2 = 7 ГГц.

Получены аналитические выражения, позволяющие определить сдвиг центральной длины волны ЧАВБС. Проведено компьютерное моделирование применения ЧАВБС в задачах измерения температуры обмоток силовых трансформаторов. Моделирование показало, что более точные результаты измерения температуры получаются при работе схемы на отражение, т.е. на дополнительной адресной частоте. С использованием ЧАВБС пропадает необходимость установки дополнительных частотных фильтров в 8 ситуациях и исключения информации во всех 12 ситуациях в варианте двухкомпонентных АВБС. Не требуется использовать схемы восстановления адресных компонент по сравнению с вариантом трехкомпонентных АВБС. Данный факт является существенным отличием разработанных систем на ЧАВБС от систем на основе ДАВБС и ТАВБС.

Литература

1. Морозов О.Г., Сахабутдинов А.Ж., Компьютерная оптика 43, 535-543 (2019)

2. Morozov O.G., Sensors, 21, 24 (2021)

3. Morozov O.G., et al, Sensors 20, 2693 (2020)

4. Аглиуллин Т.А. и др., Труды учебных заведений связи 6, 6-13 (2020)