RUBIN QUANTIFISENS - Verbundprojekt 1: Quanteninspirierte, omnifunktionale Fasersensorsysteme; Teilprojekt 1: Entwicklung eines Augmented Reality Fasernavigationssystems (ARFaNav)

Abstract

n der verteilten faseroptischen Sensorik werden überwiegend rückstreubasierte Verfahren wie Rayleigh- und Brillouin-Streuung eingesetzt. Üblicherweise kommen dabei Standardfasern ohne gezielte Strukturierungen zum Einsatz, wobei die Rückstreueigenschaften hauptsächlich über die Dotierung beeinflusst werden. Einzelne kommerzielle Lösungen, etwa die AcoustiSens-Faser von OFS, verfolgen diesen Ansatz. Demgegenüber setzt das Projekt auf laserstrukturierte, breitbandige und gechirpte UV-laser-geschriebene Gitter, mit denen eine gezielte Rückreflexion des geführten Lichts erreicht wird. Dadurch lassen sich Verluste reduzieren und gleichzeitig größere Freiheitsgrade bei der Auswahl von Faser- und Coatingmaterialien realisieren. Der Bereich des Shape-Sensing ist im Vergleich zur klassischen verteilten Sensorik noch relativ jung. Zwar existieren seit den frühen 2000er Jahren erste wissenschaftliche Arbeiten, eine breite technologische Etablierung erfolgte jedoch erst in den letzten Jahren. Neben Mehrfaseransätzen werden zunehmend Multikernfasern genutzt, da sie kompakte und robuste Systeme ermöglichen. Kommerzielle Anbieter wie Fibercore oder OFS stellen entsprechende Fasern bereit, wobei viele Entwicklungen bislang im Forschungsumfeld angesiedelt sind. FBGS konnte bereits vor Projektbeginn eine verbesserte Technologie zum Twisten von Multikernfasern in Kombination mit dem Gittereinschreiben entwickeln, an die im Projekt angeknüpft wurde. Für das Shape-Sensing mit FBGs in Multikernfasern existieren bereits Patente, die überwiegend auf OFDR-Auswerteverfahren basieren. Dieses Messprinzip wurde im Projekt bewusst nicht verfolgt. Stattdessen zielte die Aufgabenstellung auf eine Weiterentwicklung des WDM-Verfahrens, das bislang durch begrenzte Sensoranzahl und räumliche Auflösung limitiert ist. Als zentraler Baustein wurde daher ein neues Messsystem auf Basis des Code-Division-Multiplexing (CDM) definiert, mit dem sich die Sensoranzahl deutlich steigern lässt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung eines neuartigen Auslesesystems. Vorgesehen war ein Spektrometer auf Basis von Wellenleiterstrukturen in einem photonischen Chip, das gegenüber bestehenden Ansätzen eine deutliche Reduktion des Formfaktors erlaubt und zusätzliche Funktionalitäten wie Referenzierung oder Modulation integrieren kann. Ergänzend dazu war die softwareseitige Auswertung und Visualisierung Teil der Aufgabenstellung. Mit angepassten Algorithmen sollte die räumliche Bahn der Faser berechnet und erstmals in einer Augmented-Reality-Umgebung in Echtzeit dargestellt werden, was ein klares Alleinstellungsmerkmal gegenüber dem Stand der Technik darstellt.