Faser-Bragg-Gitter

Faser-Bragg-Gitter sind in Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Interferenzfilter. Wellenlängen, die innerhalb der Filterbandbreite um λ_B liegen, werden reflektiert.

Lichtwellenleiter mit Bragg-Gitter
Λ = Gitterperiode, n = Brechzahl, P_I = Eingangsleistung, P_B = reflektierte Leistung, P_T = durchgehende Leistung, λ = Wellenlänge des Lichts

Aufbau

Die einzelnen Schichten werden mittels UV-Licht (z. B. eines Excimerlasers mit λ = 248 nm) in die Glasfaser einbeschrieben. In dem Faserkern entsteht eine periodische Modulation der Brechzahl, mit hohen und niedrigen Brechzahlbereichen, die das Licht einer bestimmten Wellenlänge zurück reflektiert (Bandsperre). Die Mittenwellenlänge der Filterbandbreite in Monomodefasern ergibt sich durch die Bragg-Bedingung:

$\lambda_B = \frac{n_2+n_3}{2} \cdot 2 \Lambda.$

Darin sind n₂ und n₃ die effektiven Brechzahlen des Kerns der Lichtleitfaser und Λ die Gitterperiode. Die spektrale Breite des Bandes hängt von der Länge des Faser-Bragg-Gitters und der Stärke der Brechzahländerung zwischen den benachbarten Brechzahlbereichen ab.

Funktion

Der Kern der Faser ist aus aufeinanderfolgenden Abschnitten der Länge λ/2 (im Medium) zusammengesetzt, die sich im Brechungsindex unterscheiden. An jeder Grenzfläche wird ein Teil der eingespeisten Amplitude durch die Fresnel-Reflexion (Fresnelsche Formeln (Senkrechter Einfall)) reflektiert. Bei Durchqueren eines Abschnitts und der folgenden Reflexion am Ende des Abschnitts wird insgesamt ein Gangunterschied von λ bewirkt, es kommt zu konstruktiver Interferenz (Physik). Diese Aufeinanderfolge von λ/2-Schichten entspricht in etwa dem Gegenstück einer Antireflexbeschichtung, bei der das zweimalige Durchqueren einer λ/4-Schicht (mit dem Gangunterschied λ/2) zu destruktiver Interferenz führt.

Der Unterschied der Brechzahlen n₂ und n₃ ist aus herstellungstechnischen Gründen nicht sehr groß, deshalb gelingt auch keine völlige Amplitudenauslöschung bei zu wenigen aufeinanderfolgenden Schichten.

Das elektrische Analogon eines Faser-Bragg-Gitters bei erheblich größeren Wellenlängen wäre eine Aufeinanderfolge von λ/2-Leitungsstücken unterschiedlicher Wellenimpedanz. Durch die Fehlanpassung an jedem Verbindungspunkt wird ein Teil der Energie reflektiert.

Anwendungen

• In der optischen Nachrichtentechnik als Filter zur Trennung verschiedener Kanäle beim Wellenlängen-Multiplexverfahren (WDM)
• wellenlängenselektiver Faserreflektor bei fasergekoppelten Diodenlasern
• optisches Element im Resonator eines Faserlasers
• Sensoren für Temperatur und Dehnung anhand der sich ändernden reflektierten Wellenlänge:

Die Wellenlänge λ_B verschiebt sich um delta_λ mit der Temperatur T und der relativen Dehnung ε der Glasfaser:

delta_λ/λ_B = k * ε + α_n * delta_T

mit:

α_n: Änderung des Brechungsindex, typ 5..8 E-6/K

k: Konstante, typ. 0,78

Die Dehnung der Faser setzt sich aus dem Anteil der von außen aufgebrachten Dehnung ε_m und der thermischen Ausdehnung ε_T zusammen: ε = ε_m + ε_T und man erhält für die Temperaturabhängigkeit delta_T von delta_λ/λ_B:

delta_T = 1/ (k * α_T + α_n) * delta_λ/λ_B

mit:

α_T: thermische Ausdehnung der Glasfaser, typ 0,6 E-6/K

und für die Dehnungsabhängigkeit ε:

ε = 1/k * delta_λ/λ_B

und bei gleichzeitig geänderter Temperatur und mechanischer Belastung:

ε = 1/k * delta_λ/λ_B - (α_struktur + α_n/k) * delta_T

Faser-Bragg-Gitter lösen Druckkräfte von mehreren bar und Temperaturänderungen von 100 K recht gut auf. Ein typisches Gitter, dass auf 1500 nm abgestimmt ist, verschiebt sich um 0,1 nm bei einer Temperaturänderung von 10 K, ebenso bei einer Längenänderung von 1E-4.

Weblinks

• Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, 2007
• Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gitter (PDF-Datei; 3,63 MB)
• Einfluß ionisierender Strahlung auf die Funktionsfähigkeit faseroptischer Bragg-Sensoren (Dissertation)