Design and Implementation of Temperature Sensor using Non-Uniform Fiber Bragg Grating

Year 2021, Volume: 24 Issue: 3, 843 - 851, 01.09.2021

Selin Kipriksiz , Murat Yücel

https://doi.org/10.2339/politeknik.727105

Cited By: 2

Abstract

In this study, fiber Bragg grating-based temperature sensors in uniform, apodized and chirped structures were designed using the Optigrating 4.2.3 software. To obtain the maximum reflectivity, parameter optimization was performed, and the transmission and reflection spectra of the designed FBGs were analyzed. The effect of apodized and chirped applications on Bragg reflectivity was examined. The temperatures of the FBGs designed were changed between 30 ºC and 60 ºC with 10 ºC periods, and the shifts occurring in the grating period and wavelengths were examined. The data of the transmission-reflection spectra of 25, 40, 50, and 60 °C temperatures of these FBGs were transferred to the Optisystem 17 software in the appropriate format and the study was maintained over Optisystem 17. The spectrum behavior and shifts occurring at the wavelengths for each temperature range of the broadband laser source examined at the input of the FBG were examined with an optical spectrum analyzer. These phases were repeated for the uniform, apodized and chirped FBGs designed. It was observed that the sensors in the uniform, apodized and chirped structures designed exhibited different spectra from each other due to their properties.

Keywords

Fiber Bragg grating, uniform, apodized, chirped, temperature sensor

Düzgün Olmayan Yapılarda Fiber Bragg Izgara Sensör Tasarımı ve Uygulaması

Abstract

Bu çalışmada, Optigrating 4.2.3 yazılımı kullanılarak tekdüze, apodize ve cıvıltılı yapılardaki fiber Bragg ızgara (FBG) tabanlı sıcaklık sensörleri tasarlanmıştır. Maksimum yansıtıcılık elde edebilmek amacıyla parametre optimizasyonları yapılmış ve tasarlanan FBG’lerin iletim ve yansıma spektrumları analiz edilmiştir. Apodize ve cıvıltı yapılarının Bragg yansıtıcılığına ve band genişliğine olan etkileri incelenmiştir. Tasarlanan FBG’lerin sıcaklıkları 30 ºC ile 60 ºC aralığında 10 ºC’lik periyotlarla değiştirilerek ızgara periyotlarında ve dalga boylarında meydana gelen değişimler izlenmiştir. Daha sonra, tasarlanan FBG’lerin 25, 40, 50, 60 °C sıcaklıklarının yansıma ve iletim spektrumlarına ait veriler uygun formatta Optisystem 17 yazılımına aktarılmıştır ve bu yazılımda tasarlanmış olan tekdüze, apodize ve cıvıltılı FBG’lerin girişine geniş band lazer kaynağı bağlanarak her bir sıcaklık mertebesi için Bragg dalga boylarında meydana gelen kaymalar optik spektrum analizörü ile incelenmiştir. Farklı yapılardaki sensörlerin sahip oldukları özellikler sebebiyle birbirinden farklı spektrumlar sergilediği görülmüştür. 

Keywords

Fiber Bragg ızgara, apodize, cıvıltı, sıcaklık sensörü, tekdüze

References

• [1] Du Y., Sun B., Li J., Zhang W., “ Fiber Bragg Grating Sensor”, Optical Fiber Sensing and Structural Health Monitoring Technology”, Springer, Singapore, (2019).
• [2] Kashyap R., “Fiber Bragg Gratings (Second Edition)”, Ed. Kashyap R., Academic Press, (2009).
• [3] Daud S., Ali J., “Fibre Bragg Grating and No-Core Fibre Sensors”, Springer, Cham, Switzerland, (2018).
• [4] Pehlivan C., “Optik Fiber Bragg Izgara Algılayıcıların Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli Üniversitesi, Türkiye, (2007).
• [5] Navruz İ., “Uzun Mesafeli ve Yüksek Hızlı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri İçin Optik Izgara Tabanlı Dispersiyon Kompanzasyonu”, Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Türkiye, (2006).
• [6] Khalid K., Zafrullah M., Bilal S. M., Mirza M., “Simulation and analysis of Gaussian apodized fiber Bragg grating strain sensor”, Journal of Optical Technology, 79(10): 667-673, (2012).
• [7] Ashry I., Elrashidi A., Mahros A. M., Alhaddad M., Elleithy K., "Investigating the performance of apodized Fiber Bragg gratings for sensing applications", the 2014 Zone 1 Conference of the American Society for Engineering Education, 1-5, Bridgeport, CT, USA, (3-5 April 2014).
• [8] Elgaud M. M., Zan M. S., Abushagur A. A., Bakar A. A., Elshirkasi A. M., "Analysis and simulation of time domain multiplexed (TDM) fiber Bragg sensing array using OptiSystem and OptiGrating", 2016 International Conference on Advances in Electrical, Electronic and Systems Engineering (ICAEESE), 301-304, Putrajaya, Malaysia, (14-16 November 2016).
• [9] Hisham H. K., “Bandwidth Characteristics of FBG Sensors for Oil and Gas Applications”, American Journal of Sensor Technology, 4(1):30-34, (2017).
• [10] Fathy M., Mofreh T., Barakat T., “New simulation and analysis fiber Bragg grating: narrow bandwidth without side lobes”, International Journal of Applied Engineering Research, 14(11): 2667-2674, (2019).
• [11] Meena D., Meena M. L., “Design and Analysis of Novel Dispersion Compensating Model with Chirp Fiber Bragg Grating for Long-Haul Transmission System”, 2nd International Conference on Optical and Wireless Technologies, 29-36, Jaipur, India (2018).
• [12] Yücel M., Öztürk N. F., “FBG algılama sistemlerinde gaussian uyarlama yöntemi ile merkez dalgaboyunun belirlenmesi”, Politeknik Dergisi, (2020). DOI: 10.2339/politeknik.685320
• [13] Nandi S., Indumathi T. S., Priya R. V., Kori A., “Analysis of Fiber Bragg Grating Spectral Characteristics Using Couple Mode Theory for Sensor Applications”, The 13th International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing (IMIS-2019), Sydney, Australia, 868–879, (2019).
• [14] Yücel M., Öztürk N., Torun M., “Fiber Bragg ızgara sensör dizisi tabanlı sıcaklık ölçüm sistemi tasarımı ve uygulaması”, Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 32:3 (2017). 957-964, (2017).
• [15] Gemzicky E., Mullerova J., “Apodized and chirped fiber Bragg gratings for optical communication systems: Influence of grating profile on spectral reflectance”, Photonics, Devices, and Systems IV, 71380X.1-71380X.6 , Prague, Czech Republic, (27-29 August 2008).
• [16] Tosi D., “Review of Chirped Fiber Bragg Grating (CFBG) Fiber-Optic Sensors and Their Applications”, Sensors, 18(7):2147, Switzerland, (2018).