陈美娟;李传起;罗德俊;陆叶
【摘 要】长周期光纤光栅(LPFG)具有不同损耗峰,对外界环境表现出不同的灵敏度;一个损耗峰近似线性区的光强对数值与外界环境参量均具有线性关系,并且折射率在一定范围内时损耗峰中心波长与外界环境参量同样具有线性关系.本文提出两种单个光纤光栅进行温度和折射率同时测量的方法,长周期光纤光栅透射谱的两个不同阶次的损耗峰具有不同的温度和折射率灵敏度;一个损耗峰的近似线性区内光强对数值和其损耗峰同样具有不同的温度折射率灵敏度.利用这两种谱特性实现单个光栅双参数测量.对长周期光纤光栅的光谱进行理论分析和数值仿真,证实了这两种方法的可行性.单个长周期光纤光栅作为传感器较其他结构复杂的传感器的灵敏度相对较低,由于其解调简单、成本低廉、体积小巧,具有很好的应用前景. 保健项链【期刊名称】《广西师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(032)004
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】长周期光纤光栅(LPFG);透射谱;温度传感;折射率传感
【作 者】陈美娟;李传起;罗德俊;陆叶
【作者单位】广西师范大学 电子工程学院,广西桂林541004;广西师范大学 电子工程学院,广西桂林541004;广西师范大学 电子工程学院,广西桂林541004;广西师范大学 电子工程学院,广西桂林541004
【正文语种】中 文
刺辊【中图分类】TP212
近年来,在光通信以及光传感领域长周期光纤光栅(LPFG)越来越受到关注。传统的光纤传感器多基于光强的测量[1],导致稳定性不高,而LPFG采用波长编码方式,不受光强的影响,稳定性能大大提高。此外,LPFG与布拉格光纤光栅(FBG)相比周期较长,可达几十甚至几百微米,在传输过程中可以将纤芯基模中的能量耦合到各包层模中,因此LPFG对外界环境如温度、应变、折射率等具有更高的灵敏度。正是由于这种特性,多参量同时测量成为热点,同时也存在交叉敏感的问题,针对这个问题人们提出了不同的解决方法。Shu等人利用超结构布拉格
光纤光栅实现温度和折射率同时测量,这种方法增加了传感器的成本[2]。许建波等人提出在两种不同的光纤熔接点处写入LPFG,形成对外界环境有不同响应的两个谐振峰,此方法对光纤熔接点的质量有一定要求[3]。2011年,等人提出了光纤智能定位承载结构[4]。另外有许多将LPFG与其他光纤光栅结构组合形成传感器,解决交叉传感问题,这些方法将传感结构复杂化的同时也增大了传感器的体积[5-6]。本文通过探究LPFG透射谱的特性,根据不同损耗峰具有不同环境灵敏度,分别提出两种利用单个LPFG实现温度和折射率双参数测量的方法,并且通过仿真模拟证实了2种方法的可行性。
LPFG将前向传输的纤芯基模耦合到同向传输的各阶次包层模中,由耦合模理论可知[7-8],LPFG的相位匹配条件是
式中λm为谐振波长,Λ为LPFG的周期,ncoeff和ncl,meff分别为纤芯基模LP01和一阶m次包层模LP0m的有效折射率。由式(1)可以看出,谐振波长与纤芯和包层的有效折射率有很大的关系,当外界环境参量如温度或折射率作用于LPFG时,将引起纤芯和包层有效折射率和光栅周期发生变化,光栅的中心波长会发生漂移,测得漂移量的大小即可以确定外界参量的变化,并且漂移量与模次序m有关。
LPFG一阶5次和一阶9次耦合模(图1中圈出)的温度灵敏度和折射率灵敏度都不相等。假设温度与折射率引起LPFG谐振波长漂移在本文所研究的范围内是线性并且相互独立,即忽略温度引起的折射率变化,当温度和折射率同时作用于LPFG时,纤芯基模LP01与包层模LP0m、LP0n耦合形成的损耗峰谐振波长会发生漂移,可表示为
式(3)中ξco、ξcl分别表示光纤光栅的纤芯热光系数和包层热光系数,α为光纤光栅的热膨胀系数。式(4)中,由于外界环境的折射率对光纤光栅的周期并不产生影响,因此后一项为0,而外界折射率对包层折射率的影响较纤芯大得多。
从图1(b)可以看到,LPFG损耗峰的中心波长两侧均有大约7 nm的近似线性区[9],在这个区域内损耗峰光强的对数和波长成正比关系lg I∝Δλ,上述分析可知谐振波长的漂移量与温度和折射率成正比ΔλT＝KTΔT,Δλn3＝Kn3Δn3,并且外界环境参量的变化并不会引起损耗峰波形的变化,即谐振波长处的损耗值几乎没有改变,因此可以得到LPFG在谐振峰线性范围内损耗峰光强的对数值与外界环境参量的关系,lg I1＝K1ΔT,lg I2＝K2Δn3。损耗峰的中心波长亦对温度和折射率敏感,因此同样可以表示为
KT和Kn3分别是损耗峰中心波长的温度和折射率灵敏度。
当温度变化较小时,通过求解式(2)和式(5)的灵敏度矩阵的逆矩阵,可以解得相应的温度和折射率变化量。但是当温度变化较大时,忽略温度带来的折射率改变将会对测量结果带来很大的误差,因此需要对式(2)、式(5)中的灵敏度矩阵进行一定的补偿。
不同模次的损耗峰具有不同的温度和折射率灵敏度,我们分别对一阶5次和一阶9次损耗峰的透射谱在温度改变的情况下进行仿真。LPFG参数如下:光栅长度L＝4 cm,纤芯折射率n1＝1.468 1,包层折射率n2＝1.462 8,纤芯半径a＝4.15μm,包层半径b＝62.5μm,光栅周期Λ＝460μm,纤芯热光系数ξco＝7.97×10－6/℃,包层热光系数ξcl＝7.8×10－6/℃,光纤热膨胀系数α＝5.5×10－7/℃,这里假设纤芯和包层的热膨胀系数是一样的。温度变化范围为25～55℃,折射率变化范围为1.33～1.39。由于折射率的仿真与温度相似,因此此处不再列举。
图2给出了LPFG的一阶5次和一阶9次损耗峰随温度变化的波长漂移情况。当温度从25℃升温至55℃时,一阶5次透射谱的中心波长从1 449.5 nm漂移到1 451.4 nm,温度灵敏度K5T＝0.064 nm/℃;一阶9次损耗峰的中心波长从1 833.75 nm漂移到1 837.25 nm,温度灵敏度K9T＝0.117 nm/℃。同样,可得到一阶5次透射谱的折射率灵敏度K5n3＝－7.5 nm/RIU,一阶9次损耗峰的折射率灵敏度K9n3＝－116.67 nm/RIU,负号表示折射率增大,中心波长发生蓝移。
在这个范围内,中心波长与温度和折射率均呈良好的线性关系,将得到的灵敏度的值代入式(2)便可求出温度和折射率的变化量。
对光强对数的温度、折射率灵敏度与损耗峰中心波长的温度、折射率灵敏度进行了仿真。取透射谱中的一阶7次损耗峰,LPFG的光纤光栅参数同上,取靠近中心波长1 563 nm处的光强对数值进行测量。
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从图3、图4中可以看出,当温度和折射率发生变化时,光强对数值的变化呈较良好的线性,可以计算出,光强对数值的温度灵敏度K1＝0.23 dB/℃,折射率灵敏度K2＝99.9 dB/RIU;损耗峰中心波长的温度灵敏度KT＝0.075 nm/℃,折射率灵敏度Kn3＝－32.5 nm/RIU,代入式(3)同样可以计算出温度和折射率的改变量。图3和图4中,仿真得到的数据并未呈非常精确的线性分布,是因为仿真中波长取的是离散的点,取波长数越多结论越精确,文章中取200个波长做仿真,因此存在一定误差。另外折射率变化时,波长与折射率成分段的线性关系[10],在不同范围内,中心波长的折射率灵敏度并不相同,因此仿真中的折射率的范围略微偏大,导致线性度降低。
LPFG不同模次的损耗峰具有不同的灵敏度[11],为了寻更高的灵敏度,对LPFG的灵敏度与
包层模次序进行了数值仿真。在此文章只给出了温度灵敏度与模次序的仿真结果,折射率灵敏度有相似的规律,因此在文中并不赘述。
从图5中我们可以看出,LPFG的一阶第18次耦合模有最大的温度灵敏度,并且低次耦合模(m＜18)与高次耦合模(m＞18)的温度灵敏度相反。温度升高时,低次模的波长向长波方向漂移,高次模的波长向短波方向漂移,第18次耦合模的漂移量最大,并且模次序越接近18次,漂移量越大。折射率灵敏度与模次序的关系与温度灵敏度相似,因此选择模次序较高的损耗峰可以提高灵敏度,从而提高测量精度。
当温度改变较大时,不能忽略温度改变对折射率的影响。此时,温度灵敏度KT由两部分组成,一部分为仅温度改变的贡献,另一部分则是温度改变引起的折射率变化的贡献,即可表示为
其中KT为实际测量到的温度灵敏度表示仅由温度引起的变化表示温度引起的溶液折射率变化系数。KT并不是仅温度引起的,因此在式(2)、(3)的计算中应该用代替KT,对温度进行补偿。陶瓷耳环
利用长周期光纤光栅具有不同损耗峰的光谱特性,可以实现温度和折射率同时区分测量;利用
损耗峰中心波长附近的近似线性区,同样可以实现双参数测量。这两种方法能够有效地解决双参数交叉敏感问题,在实际应用中有很好的应用前景。由于仅仅利用LPFG的谱特性进行传感测量,并未在结构上对LPFG进行增敏,因此传感器的灵敏度较其他结构复杂的传感器低,体积更小巧,成本也较低;根据仿真结果,也可以利用高阶次的损耗峰进行测量,从而提高灵敏度。
生命晶石参 考 文 献:
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