鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜研究*

范玲玉，胡興柳，何　璕

鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜研究*

范玲玉1，胡興柳1，何璕2

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000；2.安徽馬鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山243000）

基于三包層長(zhǎng)周期光纖光柵的耦合模型，研究了鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的光柵參數(shù)和膜層厚度對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長(zhǎng)周期光纖光柵的纖芯半徑、折射率和周期增大時(shí)，諧振波向長(zhǎng)波方向漂移；當(dāng)長(zhǎng)周期光纖光柵的包層半徑和折射率增大時(shí)，諧振波向短波方向漂移。不同折射率的膜層介質(zhì)其所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度（Optimum Overlay Thickness，OOT）不同，薄膜介質(zhì)的折射率越高，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度越小，敏感區(qū)域范圍也較窄；不同包層模式對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度具體位置區(qū)別不大，較高階次包層模對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)在敏感區(qū)域范圍內(nèi)漂移量較大。

長(zhǎng)周期光纖光柵；耦合模式；透射譜

0　引言

長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）在光通信和傳感器領(lǐng)域有很多應(yīng)用。在光通信領(lǐng)域，人們研制出了很多設(shè)備，如帶阻濾波器、色散補(bǔ)償［1］等。關(guān)于傳感器領(lǐng)域，與光柵布拉格光纖相比，LPFG在監(jiān)測(cè)應(yīng)變、溫度這些可能改變光柵纖芯或者包層的折射率的被測(cè)變量時(shí)，也十分靈敏。此外，它還表現(xiàn)出較低的背景反射、解調(diào)方案相對(duì)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。所有這些良好的特性使得LPFG能夠發(fā)揮出更多的作用，而不僅局限于應(yīng)變、溫度的測(cè)量。它可以用來作折射儀，或者用于測(cè)量周圍環(huán)境中的物質(zhì)折射率［2］的改變。如果在包層外鍍一層膜，它的折射率將會(huì)改變模式的耦合。當(dāng)選擇的膜材料對(duì)某個(gè)特定的參數(shù)敏感，那么將能獲得更加靈敏的傳感器裝置。

1　LPFG理論分析

LPFG是纖芯導(dǎo)模與同向傳輸?shù)陌鼘幽ｑ詈系墓饫w器件，而耦合到包層中的光經(jīng)過一段距離傳輸后，由于包層與外界環(huán)境的散射以及光纖彎曲等，包層模轉(zhuǎn)換成輻射模而快速衰減掉。由于同向傳輸?shù)睦w芯導(dǎo)?？梢择詈系讲煌A次的包層模中，從而在LPFG的透射譜中會(huì)表現(xiàn)出一系列的損耗峰。經(jīng)過合理簡(jiǎn)化后，LPFG模式耦合方程［3］可寫為：

式中，Aco是纖芯導(dǎo)模的正z向振幅，是一階v次包層模的正z向振幅；是纖芯導(dǎo)模自耦合常量，是纖芯導(dǎo)模與一階v次包層模的互耦合常量，它決定了LPFG中纖芯導(dǎo)模與包層模式之間耦合的強(qiáng)弱；是纖芯導(dǎo)模與一階v次包層模間的調(diào)諧系數(shù)；和分別是纖芯導(dǎo)模和一階v次包層模的傳播常量；Λ為光纖光柵周期。令，可得LPFG包層模耦合的相位匹配條件為：

根據(jù)β=k0neff，式（4）也可以表示為：

其中，neff，co（λ）是纖芯導(dǎo)模在波長(zhǎng)為λ時(shí)的有效折射率，nveff，c1（λ）是一階v次包層模在波長(zhǎng)為λ時(shí)的有效折射率。它們可以分別由纖芯模式和包層模式的特征方程求出。纖芯導(dǎo)模和包層模的有效折射率都是波長(zhǎng)的函數(shù)，滿足式（5）的波長(zhǎng)λ為1階v次諧波的中心波長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱諧振波長(zhǎng)。

若以LPFG中點(diǎn)為z軸原點(diǎn)，給出LPFG的邊界條件如下所示：

則LPFG的透射率為：

2　仿真分析

本文采用三包層模型，薄膜層和外部介質(zhì)可分別視為第二和第三包層。圖1（a）、圖1（b）分別是鍍膜LPFG傳感器的結(jié)構(gòu)和折射率分布圖。a1、n1為芯層半徑和折射率，a2、n2為包層半徑和折射率，σ為光柵區(qū)域的平均折變量，a3、n3為薄膜半徑和折射率，則薄膜厚度h=a3-a2，外界折射率為n4。

本文采用的方法是，固定其他參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，繪出LPFG的透射譜波形，觀察透射譜的變化規(guī)律。初始參數(shù)取值為：n1=1.468 1，n2=1.468 2，n3=1.5，n4=1.0，a1=4.15μm，a2=62.5μm，h=0.2μm，長(zhǎng)度L=5.0 cm，周期Λ=450μm。仿真時(shí)取纖芯基模LP01與同向傳輸?shù)陌鼘幽P0m（m=2，3，4，5，6）之間的耦合。

2.1光柵參數(shù)對(duì)透射譜的影響

以下是通過改變光纖光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)形成的鍍膜光纖光柵的透射圖譜［4］。圖2是LPFG在纖芯折射率改變時(shí)的透射譜。由圖可以看出，纖芯折射率增大時(shí)，諧振波長(zhǎng)向著長(zhǎng)波方向漂移。圖3是LPFG在包層折射率改變時(shí)的透射譜，可知諧振波長(zhǎng)的漂移與n1的變化相反，即隨著包層折射率的增加，諧振波長(zhǎng)向短波方向漂移。圖4和圖5分別是纖芯半徑和包層半徑改變時(shí)的透射圖譜，諧振波長(zhǎng)的漂移與折射率的變化類似，即諧振波長(zhǎng)隨著纖芯半徑的增加向著長(zhǎng)波方向漂移，隨著包層半徑的增加向著短波方向漂移。圖6是LPFG在光柵長(zhǎng)度改變時(shí)的透射譜。由圖可知光柵長(zhǎng)度的增加不影響諧振波長(zhǎng)的變化，只改變了諧振峰的深度，其深度明顯減小。圖7是LPFG在光柵周期改變時(shí)的透射譜，可以看出，諧振波長(zhǎng)隨著光柵周期的增加向長(zhǎng)波方向漂移。

圖1　表面鍍層LPFG傳感器三包層模型

圖2　LPFG纖芯折射率改變時(shí)的透射譜

圖3　LPFG包層折射率改變時(shí)的透射譜

圖4　LPFG纖芯半徑改變時(shí)的透射譜

圖5　LPFG包層半徑改變時(shí)的透射譜

圖6　LPFG在光柵長(zhǎng)度改變時(shí)的透射譜

圖7　LPFG在光柵周期改變時(shí)的透射譜

2.2薄膜厚度對(duì)透射譜的影響

圖8是鍍膜LPFG的諧振波長(zhǎng)隨膜層厚度變化的趨勢(shì)圖。為了便于分析，分別選取的是膜層折射率為1.5、1.55、1.6時(shí)的LP01模與LP05模的耦合圖譜。由圖可知，n3不同時(shí)諧振波長(zhǎng)隨薄膜厚度的變化規(guī)律基本類似，即隨著膜層厚度h的增加，諧振波長(zhǎng)都呈現(xiàn)向短波方向漂移的趨勢(shì)［5］。此外，變化都可以分為三個(gè)區(qū)域，一開始諧振波長(zhǎng)隨著膜厚的增加緩慢變化；中間有個(gè)敏感區(qū)域，在敏感區(qū)域內(nèi)諧振波長(zhǎng)急劇變化；然后又趨于緩慢變化。例如，膜層折射率為1.5時(shí)，當(dāng)膜層厚度小于650 nm時(shí)，諧振波長(zhǎng)隨膜層厚度增加向短波方向漂移的幅度較?。欢谀雍穸葹?50～1 050 nm的區(qū)域，漂移較為明顯，能看到諧振波長(zhǎng)隨膜層厚度變化而急劇變化，此區(qū)域即為敏感區(qū)域，尤其是在約950 nm處，諧振波長(zhǎng)漂移最大，此即為最佳膜厚（OOT）；當(dāng)膜層厚度大于1 050 nm時(shí)，變化規(guī)律與膜厚小于650 nm類似，諧振波長(zhǎng)漂移較小。同樣，當(dāng)膜層折射率為1.55時(shí)，敏感區(qū)域在350～650 nm之間，最佳膜厚位于550 nm左右；當(dāng)膜層折射率為1.6時(shí)，敏感區(qū)域在300～450 nm之間，最佳膜厚約為350 nm處。因此，合理合適地根據(jù)不同膜層介質(zhì)選擇最敏感的膜層厚度，對(duì)提高鍍膜LPFG的敏感度至關(guān)重要。經(jīng)過分析還發(fā)現(xiàn)，包層模式不同時(shí)諧振波長(zhǎng)隨膜厚變化也有一定規(guī)律性。圖9為膜層折射率為1.5時(shí)，第三、第四、第五包層模式分別與纖芯基模耦合的諧振波長(zhǎng)隨薄膜厚度改變的變化圖。從圖中可以看出，包層模階次的高低對(duì)膜厚敏感區(qū)的位置影響不大，即對(duì)于不同模式其敏感區(qū)都在650～1 050 nm之間。同時(shí)可以看出較高階次的模式，其敏感區(qū)諧振波長(zhǎng)的漂移要大。膜厚從650 nm到1 050 nm變化時(shí)，LP05模的諧振波長(zhǎng)從1.421 6μm變化到1.306 88μm，減小了114.72 nm；LP04模的諧振波長(zhǎng)從1.265 2μm變化到1.180 2μm，減小了85 nm；LP03模的諧振波長(zhǎng)波長(zhǎng)從1.1528μm變化到1.102 3μm，減小了50.5 nm。因而，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇較高的包層模式，這有利于最佳薄膜厚度的分析，最終優(yōu)化鍍膜光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)。

圖8　n3不同時(shí)諧振波長(zhǎng)隨h改變的變化圖

圖9　包層模式不同時(shí)諧振波長(zhǎng)隨薄膜厚度改變的變化圖

3　結(jié)論

通過控制鍍膜光纖光柵其他參數(shù)不變，只改變某一參數(shù)的方法得到相應(yīng)透射譜。經(jīng)過分析比較發(fā)現(xiàn)，諧振峰有較明顯的漂移現(xiàn)象。當(dāng)a1、n1、Λ增大時(shí)，諧振峰向長(zhǎng)波方向漂移；當(dāng)a2、n2增大時(shí)，諧振峰向短波方向漂移；光柵長(zhǎng)度L不影響諧振峰的位置變化。因此，利用諧振峰的漂移量來進(jìn)行外界參數(shù)變化的測(cè)量是可行的。同時(shí)，深入分析了薄膜厚度h對(duì)透射譜的影響。結(jié)果表明，不同折射率的膜層介質(zhì)其所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度不同，薄膜介質(zhì)的折射率越高，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度越小；不同包層模式對(duì)應(yīng)的最優(yōu)厚度位置沒有較大區(qū)別，但在敏感區(qū)域范圍內(nèi)，諧振波長(zhǎng)的改變量不同，較高階次包層模的改變量大。本文的研究對(duì)于鍍膜LPFG的設(shè)計(jì)和傳感方面的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

［1］WOJTKOWSKI M，SRINIVASAN V J，F(xiàn)UJIMOTO J G，et al.Ultrahigh-resolution，high-speed，F(xiàn)ourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation［J］.Optics Express，2004，12（11）：2417-2419.

［2］Tong Zhi，Wei Huai，Wang Muguang，et al.Effect of change of ambient refractive index on characteristics of long-period fiber gratings［J］.ACTA OPTICA SINICA，2002，22（9）：1088-1091.

［3］ERDOGAN T.Cladding-mode resonances in short and long-period fiber grating filters［J］.Journal of the Optical Society of America A，1997，14（8）：1760-1773.

［4］張自嘉，施文康，高侃，等.長(zhǎng)周期光纖光柵的譜結(jié)構(gòu)研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2004，33（11）：1308-1311.

［5］IGNACIO D V，IGNACIO R M，F(xiàn)RANCISCO J A．Optimization of sensitivity in long period fiber gratingswith overlay deposition［J］．Optics Express，2005，13（1）：56－69．

Research of the transm ission spectrum in coated long-period fiber grating

Fan Lingyu1，Hu Xingliu1，He Xun2
（1.College of Information and Electric Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243000，China；2.Anhui Ma Steel Automation&Information Technology Co.，Ltd.，Maanshan 243000，China）

Based on the model of trip le-clad long period fiber grating（LPFG），the influence of structural parameters and overlay thickness on the resonant wavelength of LPFG is studied．It comes to the conclusion that when the radii，refractive index and grating period of fiber core increase，the resonance wavelengths shift towards longer wavelength；when the radii and refractive index of cladding increase，the resonance wavelengths shift towards shorter wavelength.Different refractive index of the overlay，different corresponding OOT it would have；the higher the refractive index of the overlayis，correspondingly，the smaller the OOT and the shorter the sensitive area would be.There is no big difference between the OOT of the different cladding modes，but the resonance wavelengths of the higher cladding modes have a larger shift in the sensitive area.

long period fiber grating（LPFG）；coupled mode theory；transmission spectrum

TN253

A

1674-7720（2015）04-0040-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61201109）

（2014-09-26）

范玲玉（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：光纖光柵傳感與嵌入式系統(tǒng)。

胡興柳（1974-），女，博士，教授，主要研究方向：光纖通信與光纖傳感。

何璕（1991-），女，碩士，主要研究方向：圖像處理與應(yīng)用。