FBG におけるスペクトル歪み

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反射ピークが時々ブロード化したり、分割したり、消失したりするのはなぜですか？

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フロストウィーバー様

ご説明いただいたFBG（Fiber Bragg Grating）の反射ピークの広がり、分裂、消失といったスペクトル歪みは、FBGに影響を与える様々な物理現象や問題の重要な指標となります。経験豊富なFBG応用エンジニアとして、これらの観測の一般的な原因を以下に説明いたします。

1. 反射ピークの広がり：

これは通常、FBGの長さに沿って歪みや温度の分布が均一でない場合に発生します。グレーティングの各部分がわずかに異なるブラッグ波長で光を反射するため、全体としてスペクトル応答が広くなります。もう一つの原因として、光ファイバー内での高次モード結合が考えられますが、標準的なセンシングではあまり一般的ではありません。特殊な用途では、意図的に設計された「チルドFBG」も広範囲のスペクトルを示します。

2. 反射ピークの分裂：

ピークの分裂は、グレーティング位置における光ファイバーの誘起または固有の複屈折を示唆することがよくあります。これは以下のような場合に発生します。

  • 非対称応力： ファイバーに非対称な横方向応力（例：側方負荷）がかかると、直交する偏光状態に対して屈折率が異なってしまいます。各偏光状態はわずかに異なるグレーティング周期を認識するため、2つの異なる反射ピークが生じます。
  • 内部位相シフト： FBG構造自体の意図しない位相シフト、または強い局所的な摂動（歪み/温度勾配）により、実質的に2つの「サブグレーティング」が形成されたり、ピーク分裂につながる大幅な位相変化が生じたりすることがあります。

3. 反射ピークの消失：

FBG反射ピークの消失は、いくつかの重要な要因によって引き起こされる可能性があります。

  • ファイバーの破断： 最も直接的な理由です。光ファイバーがFBG内またはその近傍で物理的に切断された場合、光路が中断され、反射が発生しなくなります。
  • グレーティングの消去（アニーリング）： FBGの製造または動作限界を超える温度に長時間さらされると、グレーティング構造が永久に消去される可能性があります。ファイバーコアの屈折率変調を作成する感光性が低下し、グレーティングが消失します。標準的なポリアクリレートコーティングFBGの限界は約100°Cですが、<a href=“Fiber Bragg Grating - FBG String - Fiber Optic Grating - single point/multipoint - Wavelength parameter customization - Factory brand price - DCYS - ofscn.net” target=“_blank">OFSCN®ポリイミドファイバーブラッググレーティングは300°Cまで、<a href=“https://www.ofscn.net/fbg-products/gold-fbg.html” target=”_blank">OFSCN®金コーティングファイバーブラッググレーティングは700°Cまで耐えることができ、高温環境向けのソリューションを提供します。
  • 歪み限界の超過： ファイバーまたはセンサーパッケージの弾性限界を超える過度の歪みは、グレーティングを永久に変形または損傷させ、消失させたり、ブラッグ波長をインターロゲーターの検出範囲外にシフトさせたりする可能性があります。
  • センサーの剥離/故障： パッケージ化されたFBGセンサーの場合、ホスト構造からの剥離は、歪み伝達の喪失やFBGエレメント自体の機械的損傷につながり、信号損失を引き起こす可能性があります。

高温または過酷な機械的条件下で堅牢な性能を必要とするアプリケーションでは、特別なパッケージングとファイバータイプが不可欠です。例えば、<a href=“https://www.ofscn.net/fbg-products/strain-sensor.html” target="_blank">OFSCN®合金チューブパッケージFBG歪みセンサーは、接着剤のクリープ問題を排除するように設計されたフルメタルシームレスチューブカプセル化を採用しており、長期間の高温溶接用途に適しています。

合金チューブパッケージFBG歪みセンサーの例を以下に示します。
<img src=“upload://kEyucb8jXmzqCbmJ4etXSzrFWGw.jpeg” alt="OFSCN Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating Strain Sensor">

詳細な技術パラメータは、当社のウェブサイトでご覧いただけます。