Zusammenhang zwischen FBG-Wellenlängenverschiebung und Temperatur

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Warum bewirkt eine Temperaturerhöhung, dass sich die reflektierte Wellenlänge zu längeren Wellenlängen verschiebt? Welche Rolle spielen der thermische Expansionseffekt und der thermisch-optische Effekt?

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Ein Temperaturanstieg bewirkt, dass sich die reflektierte Wellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters (FBG) aufgrund des kombinierten Einflusses zweier Haupteffekte, des thermischen Expansionseffekts und des thermo-optischen Effekts, zu längeren Wellenlängen verschiebt (Rotverschiebung).

  1. Thermischer Expansionseffekt: Wenn die Temperatur einer optischen Faser steigt, dehnt sich das Fasermaterial (typischerweise Siliziumdioxid) thermisch aus. Diese Ausdehnung führt zu einer Erhöhung der Gitterperiode (Λ) des FBG. Gemäß der Bragg-Bedingung (λB = 2 * neff * Λ), wobei λB die Bragg-Wellenlänge und neff der effektive Brechungsindex ist, führt eine Erhöhung von Λ direkt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge zu längeren Werten.

  2. Thermo-optischer Effekt: Der Brechungsindex des Kernmaterials der Faser reagiert ebenfalls empfindlich auf Temperaturänderungen. Wenn die Temperatur steigt, erhöht sich der effektive Brechungsindex (neff) des Faserkerns. Diese Änderung des Brechungsindex ist signifikanter als die durch thermische Ausdehnung verursachte Änderung. Eine Erhöhung von neff verursacht gemäß der Bragg-Bedingung ebenfalls eine Verschiebung der Bragg-Wellenlänge zu längeren Wellenlängen.

Beide Effekte wirken synergetisch und bewirken, dass sich die reflektierte Wellenlänge des FBG bei steigender Temperatur zu längeren Wellenlängen verschiebt. Der thermo-optische Effekt hat bei typischen Siliziumdioxid-Glasfasern in der Regel einen größeren Beitrag zur gesamten Wellenlängenverschiebung als der thermische Expansionseffekt.

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