DE10032060C2 - Faser-Bragg-Gitter-Anordnung - Google Patents

Faser-Bragg-Gitter-Anordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Faser-Bragg-Gitter-Anordnung, insbesondere zum Einsatz in der Nachrichtentechnik und Senso­ rik, bestehend aus wenigstens einem Lichtwellenleiterkabel, in dessen Faser mindestens ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist und einer Haltevorrichtung, auf der die Faser mit vorgespann­ tem Faser-Bragg-Gitter befestigt ist.
In der Nachrichtentechnik kommen Faser-Bragg-Gitter für viel­ fältigste Anwendungsgebiete zum Einsatz. So beispielsweise in der Übertragungs- und Schaltungstechnik, als abstimmbare Fa­ serlaser oder auch in Multiplexern. Um eine sichere Arbeits­ weise des Faser-Bragg-Gitters zu gewährleisten, das heißt zu verhindern, daß das Faser-Bragg-Gitter durch Temperaturände­ rungen ungewollte Wellenlängenänderungen erfährt, sind Maß­ nahmen zur Temperaturstabilisierung beziehungsweise Tempera­ turkompensation notwendig.
Andererseits werden Faser-Bragg-Gitter auch immer häufiger in der Sensortechnik zur Messung physikalischer Größen wie Deh­ nung, Stauchung, Druck oder auch Temperatur eingesetzt.
Entsprechend der Ausführungen in DE 43 37 103 A1 können Faser- Bragg-Gitter durch die Belichtung einer für UV-Licht photosen­ sitiven Faser mit einem Interferenzmuster, welches mit UV- Licht gebildet wird, hergestellt werden. Dabei entsteht eine dauerhafte periodische Brechzahländerung der Glasfaser, wobei jede Brechzahländerung eine Reflexionsstelle darstellt. In Abhängigkeit der in die Glasfaser mit Faser-Bragg-Gitter ein­ gestrahlten Wellenlänge kommt es zu einer konstruktiven oder destruktiven Überlagerung der reflektierten Leistungsanteile. Als Quelle für die UV-Strahlung können beispielsweise Excimer- Laser oder Argon-Ionenlaser verwendet werden. Das Interferenz­ muster kann mit einer Phasenmaske oder durch Strahlteiler und Umlenkspiegel gebildet werden. Da die Bedingung der konstruk­ tiven Überlagerung für die Rückreflexion nach Gleichung 1 nur in einem geringen Wellenlängenbereich erfüllt wird, sind Faser-Bragg-Gitter schmalbandige Bandsperren. In diesem schma­ len Band wird die Leistung reflektiert.
Die Bragg-Wellenlänge eines Gitters ist bestimmbar mit:
λBRAGG Bragg-Wellenlänge des Gitters
m Ordnung des Bragg-Gitters
nm mittlere effektive Brechzahl
Λ räumliche Periodenlänge des Gitters
Wenn das Faser-Bragg-Gitter einem mechanischen Streß aus­ gesetzt wird, ändert sich die Periodenlänge und durch den optoelastischen Effekt auch die mittlere effektive Brechzahl des Gitters. Durch beide Effekte kommt es zu einer Änderung der Bragg-Wellenlänge.
Bei einer Änderung der Temperatur des Faser-Bragg-Gitters kommt es ebenfalls zu einer Änderung der Bragg-Wellenlänge. Ursache dafür ist im Wesentlichen der thermooptische Effekt, durch den sich die Brechzahl im Faser-Bragg-Gitter ändert und die Längenausdehnung der Faser, durch die sich die Abstände der einzelnen Reflexionsstellen im Bragg-Gitter ändern.
Das der erfindungsgemäßen Anordnung zugrundeliegende physika­ lische Prinzip besteht darin, eine Halterung zu verwenden, deren thermisches Verhalten den mechanischen Streß des Faser- Bragg-Gitters gezielt ändert. Verschiedene solche Anordnungen sind bereits bekannt. So werden Faser-Bragg-Gitter auf Träger­ materialien als Halterung montiert, die einen großen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Damit wird bei einer Erwärmung die Faser mit Faser-Bragg-Gitter zusätzlich gedehnt und es kommt zu einer Vergrößerung der Änderung der Bragg- Wellenlänge des Gitters.
Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Dehnung des Gitters durch den Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials bestimmt wird und somit nur geändert werden kann, wenn ein anderes Material verwendet wird.
Bei anderen bekannten Anordnungen wird versucht, die Änderung der Bragg-Wellenlänge des Gitters auf Grund der Änderung der Temperatur durch eine gezielte Änderung des mechanischen Stresses zu kompensieren. Problematisch ist dabei, daß das Trägermaterial einen negativen Ausdehnungskoeffizienten besit­ zen muß, das heißt die Faser muß bei Erwärmung mechanisch entspannt werden. Diese Materialien sind teuer, schwer be­ schaffbar und weisen häufig einen stark nichtlinearen Aus­ dehnungskoeffizienten auf.
Des weiteren kommen zur Verringerung des mechanischen Stresses des Faser-Bragg-Gitters Anordnungen zum Einsatz, wie sie in ähnlicher Form in Pendeluhren zur Konstanthaltung der Pendel­ länge verwendet werden. Auch aus US 5999671 ist eine derartige Anordnung bekannt. Dabei werden zwei stabförmige Materialien mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten auf einer Seite miteinander verbunden. Das Material mit dem geringeren Ausdehnungskoeffizienten wird etwas länger gewählt und mit einer Faseraufnahme versehen wird anschließend die Faser mit dem Faser-Bragg-Gitter mit einer geeigneten Vor­ spannung auf die beiden Materialien aufgebracht, kann bei richtiger Dimensionierung zum Beispiel ein passiv temperatur­ stabilisiertes Faser-Bragg-Gitter hergestellt werden.
Bei diesen Anordnungen kann das Temperaturverhalten mit Hilfe der Dimensionierung durch geeignete Wahl der Materialien und der Stablängen zwar eingestellt werden, aber für interessante Einstellungen, wie beispielsweise eine passive Temperatur­ stabilisierung von Faser-Bragg-Gittern wird die Anordnung me­ chanisch sehr lang und unhandlich.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv einfach aufgebaute und kostengünstige Faser-Bragg-Gitter-Anordnung zu entwickeln, die bei kleiner Baugröße ein bei der Konfektionie­ rung einstellbares Temperaturverhalten realisieren kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird erreicht, daß die Wellenlängendrift aufgrund des thermischen Einflusses auf das Faser-Bragg-Gitter in einem dimensionierbaren Bereich voreinstellbar ist. Dabei kann durch die Befestigung des Faser- Bragg-Gitters auf einer der beiden Seiten des Bimetallstreifens entweder eine Kompensation oder eine Verstärkung des Temperatureffektes erreicht werden. Mit dem Verhältnis von unbeweglichem zu frei beweglichem Teil des Bimetallstreifens kann die Stärke des jeweiligen Effektes eingestellt werden.
Wird das Faser-Bragg-Gitter auf der Seite des Bimetallstreifens befestigt, dessen Material den kleineren Ausdehnungskoeffi­ zient aufweist und sich somit bei Erwärmung konkav krümmt, wird das vorgespannt befestigte Faser-Bragg-Gitter bei Erwärmung entspannt und es tritt eine Kompensation der Wellenlängendrift des Faser-Bragg-Gitters durch die Temperaturänderung ein. Diese Ausführung ist für den Einsatz in der Nachrichtentechnik als passives temperaturunabhängiges Bauelement vorgesehen.
Erfolgt die Befestigung des Faser-Bragg-Gitters auf der Seite des Bimetallstreifens, dessen Material den größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist, kommt es zu einer Verstärkung der Wellenlängendrift des Faser-Bragg-Gitters durch die zusätzliche mechanische Zugspannung, die durch die Ausdehnung des Materials hervorgerufen wird. Dies kann zum Beispiel bei Temperaturmessungen zur Erhöhung der Temperaturempfindlichkeit des Faser-Bragg-Gitters genutzt werden, so daß diese Ausführungsform in Verbindung mit entsprechenden Auswerteeinheiten als langzeitstabiler Temperatursensor einsetzbar ist.
Durch die Einstellbarkeit des Temperaturverhaltens bei der Konfektionierung des Faser-Bragg-Gitters können des weiteren Toleranzen im thermischen Verhalten sowohl des Faser-Bragg- Gitters als auch des Bimetallstreifens kompensiert werden.
Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Bimetallstreifen an dem auf seiner vom Faser- Bragg-Gitter abgewandten Seite mit einem Befestigungselement aus einem starren Material fest verbunden.
Damit wird auf technologisch einfache und kostengünstige Art erreicht, daß der Bimetallstreifen über eine bestimmte Länge, trotz Temperaturänderung biegesteif ausgebildet ist.
Technologisch besonders einfach ausführbar ist es, wenn das Befestigungselement rechteckförmig ausgebildet ist, seine Breite der des Bimetallstreifens angepaßt ist und der Bimetallstreifen auf das Befestigungselement aufgeklebt ist.
Dabei muß der Bimetallstreifen über die vorgegebene Länge fest auf dem Befestigungselement haften.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführung der erfindungs­ gemäßen Faser-Bragg-Gitter-Anordnung kann der Bimetallstreifen an dem biegesteifen Teil mittels einer Klemmvorrichtung biegesteif befestigt sein.
Eine besonders einfach ausgebildete Klemmvorrichtung ist ein Profilstück, in das der Bimetallstreifen über eine Teillänge eingeschoben und fixiert ist.
Die Befestigung der Faser mit dem Faser-Bragg-Gitter auf dem Bimetallstreifen sollte vorteilhafterweise durch Aufkleben an zwei Befestigungsstellen erfolgen, da hierdurch der Abstand zwischen den beiden Klebestellen genau definierbar ist.
Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, daß das Faser- Bragg-Gitter in unterschiedlichen Konfektionierungen einsetzbar ist.
Damit können unterschiedliche und vielseitige Einsatz­ möglichkeiten der Faser-Bragg-Gitter-Anordnung realisiert werden.
Die Variabilität kann des weiteren dadurch erhöht werden, daß mehrere Fasern mit Faser-Bragg-Gittern auf einem Bimetallstreifen angeordnet sind und/oder weitere Faser-Bragg- Gitter in eine Faser geschrieben sind. Werden mehrere Fasern auf einem Bimetallstreifen angeordnet, ist zu beachten, daß die Befestigungsstellen für die Fasern auf dem Bimetallstreifen den gleichen Abstand aufweisen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher läutert werden. Die Zeichnung zeigt dabei eine prinzipielle Darstellung eines Anordnungsaufbaus.
Die Faser-Bragg-Gitter-Anordnung besteht im wesentlichen aus dem Lichtwellenleiterkabel 1 mit der Faser 2, in die ein Faser- Bragg-Gitter 3 eingeschrieben ist. Die Faser 2 ist an zwei Befestigungsstellen 4, 5, die einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, auf einer Seite des Bimetallstreifens 6 unter Vorspannung befestigt. Der Bimetallstreifen 6 weist somit zwei Seiten auf, deren Materialien unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Bimetallstreifen sind einfach kommerziell erhältlich und haben häufig eine so starke, thermisch abhängige Verbiegung, daß der Temperaturgang eines Faser-Bragg-Gitters 3 überkompensiert werden kann.
Der Bimetallstreifen 6 ist über eine bestimmte Länge auf einem starren Befestigungselement 7 befestigt. Das Befestigungselement ist rechteckförmig ausgebildet, in seiner Breite der des Bimetallstreifens 6 angepaßt und aus einem solchen Stahl- oder Messingmaterial hergestellt, das in etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wie die Seite des Bimetallstreifens 6, auf der die Faser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter 3 befestigt ist. Der Bimetallstreifen 6 ist auf das Befestigungselement 7 aufgeklebt. Eine ganzflächige Klebeschicht 8 ist nicht notwendig, wichtig ist, daß der Bimetallstreifen 6 über die genau vorgegebene Länge fest mit dem Befestigungselement 7 verbunden ist. Für die Klebeschicht 8 kann ein Keramikkleber eingesetzt werden, der eine gewisse Grundelastizität aufweist.
Die Faser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter 3 ist mit einer Be­ festigungsstelle 4 über den Bimetallstreifen auf dem Befestigungselement 7 und mit der anderen Befestigungsstelle 5 in vorgegebenem Abstand zur ersten Befestigungsstelle 4 auf dem frei beweglichen Ende 9 des Bimetallstreifens 6 angeordnet, so daß das Faser-Bragg-Gitter 3 bei geringsten Temperaturänderungen eine Längenänderung erfährt, die bei entsprechender Dimensionierung der Anordnung und je nachdem, auf welcher der beiden Seiten des Bimetallstreifens 6 die Faser 2 mit dem Faser-Bragg-Gitter befestigt ist, entweder zur Kompensation der Wellenlängendrift oder aber zu deren Verstärkung führt.
Eine weitere einfache Ausführung für die starre Befestigung des Bimetallstreifens 6 über eine Teillänge ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Mittels eines einfachen Klemmprofiles, in das der Bimetallstreifen 6 an einem Ende eingeschoben und darin verklemmt wird, ist es möglich, den Bimetallstreifen 6 in diesem Bereich biegesteif auszuführen.
In der Zeichnung ebenfalls nicht gezeigt sind weitere Anord­ nungen, die die Befestigung mehrerer Fasern 2 mit Faser-Bragg- Gittern 3 betreffen oder aber die Anordnung einer Faser 2 mit weiteren Faser-Bragg-Gittern 3 auf einem Bimetallstreifen 6. Der Einsatz von Faser-Bragg-Gittern unterschiedlicher Konfektionierungen ist ebenfalls möglich. Solcherart Anordnungen haben den Vorteil, daß mehrerer Faser-Bragg-Gitter 3 gleichzeitig oder in unterschiedlichen Ausführungsformen mit einer passiven Temperaturkompensation zum Einsatz kommen können, was sich vor allem bei Verwendung in nachrichtentechnischen Bereichen raum- und kostensparend auswirken kann.
Bezugszeichenliste
1
Lichtwellenleiterkabel
2
Faser
3
Faser-Bragg-Gitter
4
Befestigungsstelle der Faser
5
Befestigungsstelle der Faser
6
Bimetallstreifen
7
Befestigungselement
8
Klebeschicht
9
frei bewegliches Ende

Claims (7)

1. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung, insbesondere zum Einsatz in der Nachrichtentechnik und Sensorik, bestehend aus wenig­ stens einem Lichtwellenleiterkabel (1), in dessen Faser (2) wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter (3) eingebracht ist und einer Haltevorrichtung, auf der die Faser (2) mit vorgespanntem Faser-Bragg-Gitter (3) befestigt ist, wobei
  • a) die Haltevorrichtung aus einem Bimetallstreifen (6) besteht, der über einen Teil seiner Länge biegesteif ausgebildet ist, und
  • b) die Faser (2) mit dem Faser-Bragg-Gitter (3) an zwei Befestigungsstellen (4, 5) auf einer Seite des Bimetall­ streifens (6) befestigt ist, wobei lediglich eine der Befestigungsstellen (4) auf dem biegesteifen Teil ange­ ordnet ist.
2. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass der Bimetall­ steifen (6) an dem biegesteifen Teil auf seiner vom Faser- Bragg-Gitter (3) abgewandten Seite mit einem Befestigungs­ element (7) aus einem starren Material fest verbunden ist.
3. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Befesti­ gungselement (7) in seiner Breite der des Bimetallstreifens (6) angepaßt ist und auf dem Bimetallstreifen (6) aufgeklebt ist.
4. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass der Bimetall­ streifen (6) an dem biegesteifen Teil mittels einer Klemmvorrichtung biegesteif befestigt ist.
5. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Klemm­ vorrichtung als Profilstück ausgebildet ist, in das der Bimetallstreifen (6) eingeschoben und über diese Teillänge fixiert ist.
6. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Faser (2) mit dem Faser-Bragg-Gitter (3) auf dem Bimetalstreifen (6) an den beiden Befesti­ gungsstellen (4, 5) aufgeklebt ist.
7. Faser-Bragg-Gitter-Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Faser-Bragg-Gitter (3) in unterschiedlichen Konfektionierungen einsetzbar ist.
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