一種新型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光纖光柵光譜特性研究*

趙洪霞,程培紅,鮑吉龍,王金霞

(寧波工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,浙江 寧波 315016)

?

一種新型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期光纖光柵光譜特性研究*

趙洪霞*,程培紅,鮑吉龍,王金霞

(寧波工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,浙江 寧波 315016)

基于長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)包層有效折射率與包層半徑、折射率和環(huán)境折射率的良好相關(guān)性,提出一種LPFG的新穎結(jié)構(gòu)。利用傳輸矩陣法和三包層光纖的色散方程對(duì)其建模,mathcad15計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值仿真和模擬。得到新型結(jié)構(gòu)LPFG諧振峰發(fā)生分裂,即一個(gè)透射峰分裂為兩個(gè);兩個(gè)分裂峰諧振波長(zhǎng)間距隨著腐蝕段包層半徑的減小或填充材料厚度的增大而增加,模式越高增加越快;同時(shí)分裂峰間距在填充材料折射率小于1.4和大于1.48時(shí)基本不變,而在1.4和1.48之間分裂峰間距變化顯著,在1.44附近達(dá)到極值。此種結(jié)構(gòu)LPFG設(shè)計(jì)上的特殊性即可彌補(bǔ)半腐蝕LPFG容易斷的不足,又可通過填充敏感材料且利用分裂峰間距定標(biāo)而提高氣體或液體濃度傳感靈敏度。

光纖光柵;包層半徑;填充厚度;填充材料折射率;環(huán)境折射率

自從1995年Vengsarkar等人[1]在光纖中成功地寫入LPFG以來,有關(guān)LPFG在傳感方面[2-8]的研究引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。LPFG把纖芯中傳輸?shù)幕Ｄ芰狂詈系酵騻鬏數(shù)陌鼘幽Ｖ袚p耗掉,因此它的透射光譜極易受包層和周圍環(huán)境的影響,這一特點(diǎn)使其比布拉格光纖光柵具有更大的環(huán)境參量測(cè)量靈敏度。但LPFG又具有較強(qiáng)參量測(cè)量交叉敏感性,限制了其傳感解調(diào)精度及實(shí)用化的范圍。為解決此問題,新型結(jié)構(gòu)LPFG不斷涌現(xiàn)[9-13],這些方法中有些[10]系統(tǒng)復(fù)雜成本高,有些[9,11-13]制作復(fù)雜,僅適用于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,不具普適性。本研究團(tuán)隊(duì)曾提出一種半鍍模的LPFG結(jié)構(gòu)[14],此方法可以使LPFG的透射譜分裂,實(shí)現(xiàn)雙參量同時(shí)測(cè)量,但靈敏度不高。

本文基于LPFG包層有效折射率與包層半徑、折射率及環(huán)境折射率的良好相關(guān)性,提出一種既可使LPFG諧振波長(zhǎng)分裂,解決交叉敏感問題,又能提高傳感靈敏度的新型結(jié)構(gòu)LPFG傳感器。通過對(duì)該結(jié)構(gòu)傳感器的傳感機(jī)理和傳感特性的深入分析,力求為L(zhǎng)PFG傳感器提高其傳感精度及實(shí)用化提供理論依據(jù)。

1 新型LPFG結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示,長(zhǎng)為L(zhǎng)的LPFG被分成L1和L2兩段,且L1=L2;在L2段折射率為n1的包層介質(zhì)被腐蝕掉厚度d,并用折射率為n2的介質(zhì)填充,這樣就在L2區(qū)形成了雙包層結(jié)構(gòu),經(jīng)過這樣的結(jié)構(gòu)變化,傳統(tǒng)LPFG被設(shè)計(jì)成兩段橫向分布結(jié)構(gòu)。其中n0為纖芯折射率,n3為外界環(huán)境折射率。

圖1 新型LPFG結(jié)構(gòu)模型

2 理論分析

根據(jù)模式耦合理論,長(zhǎng)為L(zhǎng)的m階均勻LPFG可用傳輸矩陣TK表示[15]

(1)

新型LPFG傳感器可等效看作長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的四層LPFG和長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的三層LPFG的串聯(lián)。利用傳輸矩陣法,同向傳輸?shù)睦w芯基模和第m階包層模經(jīng)歷新型LPFG后,纖芯基模和包層模的幅值為[15]:

(2)

經(jīng)公式處理得新型LPFG傳感器纖芯基膜的透過率為:

T(λ)=|(t11b11+t12b21)t13+(t11b12+t12b22)t23|2

(3)

其中

S1,Δβ1,K1為L(zhǎng)1段LPFG式(1)對(duì)應(yīng)的各量;S2,Δβ2,K2為L(zhǎng)2段LPFG式(1)對(duì)應(yīng)的各量。

對(duì)于普通單模弱導(dǎo)光纖而言,由于包層半徑較大,因此,在分析新型LPFG的纖芯基模有效折射率時(shí),可以忽略填充材料對(duì)導(dǎo)模的影響,采用普通的兩層光纖模型[16]。在計(jì)算包層有效折射率時(shí),可采用三包層模型LPFG的特征方程[17]。

3 數(shù)值仿真及討論

圖2為利用式(3)采用Mathcad15PTC計(jì)算軟件得到的新型LPFG透射譜曲線,其中有關(guān)參數(shù)為:n0=1.446 61、n1=1.444 03、Λ=450×10-6m、L=0.05 m、δn=2.1×10-5、n2=1.62、n3=1、λ=1.5 μm、d=20 μm、L1=L2=0.025 m,纖芯半徑為a=4.15 μm。

圖2 新型LPFG透射譜

圖2顯示,新型LPFG的透射譜由雙峰構(gòu)成,確實(shí)實(shí)現(xiàn)了LPFG透射峰的分裂。根據(jù)式(3)可知,新型LPFG的透射譜,在纖芯和包層材料折射率及纖芯半徑確定的情況下,與包層半徑、填充材料厚度、填充材料折射率及外界環(huán)境折射率等結(jié)構(gòu)參數(shù)有密切關(guān)系。

利用上述計(jì)算參數(shù),在n3=1.62的情況下,任選L2段LPFG第52～58階7個(gè)EH模作為研究對(duì)象,包層有效折射率與包層半徑關(guān)系如圖3所示。

由圖可知,在其他參數(shù)固定不變的前提下,包層有效折射率與包層半徑呈很好的曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)某一級(jí)模式,隨著包層半徑的減小,包層有效折射率隨著減小;包層模階數(shù)越高,包層有效折射率減小的速度越快。

圖3 L2段LPFG包層有效折射率與包層半徑之間關(guān)系曲線

根據(jù)Charles Y H T Sao的三層光纖色散方程公式[18],在n0=1.446 61、n1=1.444 03、a=4.15 μm、λ=1.5 μm和包層半徑為62.5 μm情況下,得L1段LPFG 52～58階EH模的包層有效折射率值如表1所示。

表1 L1段LPFG包層有效折射率

根據(jù)L1,L2兩段LPFG包層有效折射率的計(jì)算結(jié)果,由式(3)推得新型LPFG兩個(gè)分裂峰間距與包層半徑之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 分裂峰間距與包層半徑之間關(guān)系曲線

由圖可知,在兩段光柵具有相同的包層半徑62.5 μm時(shí)有一個(gè)諧振峰,當(dāng)L2段光柵包層半徑減小后,一個(gè)諧振峰分裂為兩個(gè),隨著包層半徑的減小填充材料厚度的增加,兩分裂峰波長(zhǎng)間距增大,當(dāng)包層半徑為20 μm時(shí),第EH52個(gè)模式兩分裂峰波長(zhǎng)間距可達(dá)1.6 nm。因填充材料厚度與包層半徑和為常量62.5 μm,從而得與圖4相反的分裂峰間距與填充材料厚度之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 分裂峰間距與填充材料厚度之間關(guān)系曲線

由圖可知,L2段LPFG填充材料厚度從0逐漸增大到45 μm的過程中,兩諧振峰的間距逐漸增大,隨著包層模階數(shù)的增加,分裂峰間距隨填充厚度的增加而增大的速度也在加快。

圖6是填充厚度為12.5 μm和柵格周期為400 μm的情況下,兩個(gè)分裂峰間距與填充材料折射率之間的關(guān)系曲線。

圖6 分裂峰間距與填充材料折射率之間關(guān)系曲線

由圖可知,當(dāng)L2段LPFG填充材料折射率小于1.4時(shí),新型LPFG 4個(gè)模式分裂峰間距幾乎不變,即包層有效折射率幾乎不變;根據(jù)文獻(xiàn)[19],填充材料折射率的變化會(huì)引起包層模傳播常數(shù)的改變,從而將影響LPFG的相位匹配波長(zhǎng)。隨著填充材料折射率的增大,包層對(duì)模式的束縛作用逐漸減弱,在相同波長(zhǎng)下,包層模的數(shù)量減少,對(duì)應(yīng)模式的傳播常數(shù)增大,在包層折射率附近達(dá)到最大,于是導(dǎo)模與包層模間的耦合波長(zhǎng)會(huì)減小。L2段長(zhǎng)周期光纖光柵HE模的諧振波長(zhǎng)大于未腐蝕段光柵的同階模式諧振波長(zhǎng),從而在填充材料的折射率為1.4～1.48時(shí),分裂峰間距迅速減小,變化幅度達(dá)0.212 μm;而L2段長(zhǎng)周期光纖光柵EH模的諧振波長(zhǎng)小于未腐蝕段光柵同階模式的諧振波長(zhǎng),從而在填充材料的折射率為1.4～1.48時(shí),分裂峰間距迅速增大,變化幅度達(dá)0.198 μm。由此可知,L2段填充材料的折射率對(duì)新型LPFG傳感器的光譜特性有著重要的影響,選擇合適折射率的填充材料有利于提高新型LPFG傳感器的濃度傳感靈敏度。

填充材料折射率為1.42和包層半徑為50 μm的情況下,分裂峰波長(zhǎng)間距與外界環(huán)境折射率之間的關(guān)系如圖7所示。

由圖可知,當(dāng)光柵外為空氣時(shí),兩分裂峰的間距為0.07 μm,隨著外界環(huán)境折射率的增大兩分裂峰的間距也隨著增大,當(dāng)環(huán)境折射率為1.75時(shí),分裂峰間距達(dá)到0.14 μm。所以通過分裂峰的間距可檢測(cè)外界環(huán)境折射率變化,從而可用于氣體或液體濃度的檢測(cè),尤其是一些體積小、電場(chǎng)強(qiáng),腐蝕大的場(chǎng)所。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)LPFG,采用傳輸矩陣法和三包層光纖色散方程分析了該光柵的光譜特性。由于該光柵結(jié)構(gòu)上的特殊性使諧振波長(zhǎng)分裂,分裂后的兩個(gè)諧振波長(zhǎng)間距對(duì)折射率敏感,可用于氣體或液體濃度的測(cè)量。該種LPFG結(jié)構(gòu)緊湊,即可減小光柵之間的熔接,又可大大減小傳感頭的體積;同時(shí)如果填充材料優(yōu)化選擇,傳感靈敏度可以得到大幅提高。

[1] Davis D D,Gaylord T K,Glytsis E N,et al.Very-High-Temperature Stable CO2-Laser-Induced Long-Period Fiber Gratings[J].Electron Lett,1999,35(9):740-742.

[2]張志榮,張冠茂,張曉萍,等.基于長(zhǎng)周期光纖光柵的生物傳感器設(shè)計(jì)及仿真[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(6):916-919.

[3]姜明順,馮德軍,隋青美.高精度機(jī)械感生長(zhǎng)周期光纖光柵橫向壓力傳感系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(10):2855-2858.

[4]曾祥楷,饒?jiān)平?梁快.長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)的橫向負(fù)載特性分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(1):0106002.

[5]趙金婷,童崢嶸,楊秀峰,等.基于長(zhǎng)周期光纖光柵液位傳感器的實(shí)驗(yàn)研究[J].光電子·激光,2010,21(12):1777-1779.

[6]劉宏月,梁大開,韓曉林.基于長(zhǎng)周期光纖光柵橫向負(fù)載特性的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(4):04060031.

[7]苗飛,陳霄,張玲,等.基于LPFG和HBF環(huán)鏡的溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量[J].光電子·激光,2011,22(7):1042-1045.

[8]張自嘉,許安濤.薄包層長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感特性[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(8):1105-1108

[9]Bhatia V,Campbell D.Simultaneous Strain and Temperature Measurement with Long-Period Grating[J].Opt Lett,1997,22(9):648-650.

[10]Han K J,Lee Y W,Kwon J,et al.Simultaneous Measurement of Strain and Temperature Incorporating a Long-Period Fiber Grating Inscribed on a Polarization-Maintaining Fiber[J].IEEE Photon Technol Lett,2003,16(9):2114-2116

[11]Frazao O,Rego G,Araüjo F M,et al.Simultaneous Measurement of Strain and Temperature Based on Polarization Loss Properties of Arc-Induced Long Period Gratings[J].Proc of SPIE,2004,5502:168-171

[12]Rego G,Falate R,Ivanov O,et al.Simultaneous Temperature and Strain Measurements Performed by a Step-Changed Arc-Induced Long-Period Fiber Grating[J].Applied Opt,2007,46(9):1392-1396

[13]Han Y G,Lee B H,Han W T,et al.Controllable Transmission Characteristics of Multi-Channel Long Period Fiber Gratings[J].IEICE Trans Electron,2011,E84-C(5):610-614.

[14]鮑吉龍,趙洪霞,程培紅,等.一種雙段多層長(zhǎng)周期光纖光柵光譜特性研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(1):0106001

[15]Rao Yunjiang,Wang Yiping,Zhu Tao.Theory and Applications of Fiber Gratings[M].BeiJing:Science Press,2006:255

[16]Erdogan T.Cladding-Mode Resonances in Short and Long Period Fiber Grating Filters[J].J Opt Soc Am A,1997,14(8):1760-1773

[17]Charles Y H Tsao,David N Payne,W Alec Gambling.Modal Characteristics of Three-Layered Optical Fiber Waveguides:A Modified Approach[J].J.Opt Soc Am A,1989,6(4):555-563

[18]Tsao C.Optical Fiber Waveguide Analysis[M].New York:Oxford University Press,1992.

[19]孔梅,石邦任.長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)外界折射率的敏感性[J].光電器件,2003,24(6):386-388

趙洪霞(1970-),女,黑龍江青岡人,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)楣饫w傳感和光纖通信,zhx-1228@163.com;

程培紅(1979-),女,河南省許昌人,博士,副教授,主要從事半導(dǎo)體光電材料與器件、金屬表面等離激元的理論和應(yīng)用研究,peihongcheng@163.com。

ResearchonOptical-SpectrumCharacteristicsofaNovelLong-PeriodFiberGrating*

ZHAOHongxia*,CHENGPeihong,BAOJilong,WANGJinxia

(Electronic and Information Engineering College,Ningbo University of Technology,Ningbo Zhejiang 315016,China)

A novel LPFG structure was proposed based on the excellent relation between effective refractive index of cladding,radius and refractive index of cladding and environment refractive index.A theoretical model was built using transmission matrix method and dispersion equation of three-layered fiber,and then numerical simulation was carried out by Mathcad15 software.The simulation results show that the resonance peak is divided into two peaks,and the gap between them is increased when decreasing the cladding radius of the etched section or increasing the thickness of the filling materials.The gap increase is more rapid for the higher order mode.Moreover,the gap between the divided peaks remains unchanged when the refractive index of the filling materials n is less than 1.4 and more than 1.48.The gap change is remarkable when the refractive index is in the 1.4

optical-fiber grating;cladding-radius;filled-thickness;filled materials refractive index;environment refractive index

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61154003)

2014-02-26修改日期:2014-05-19

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.007

TN212.14

:A

:1004-1699(2014)06-0743-04