環(huán)境折射率的細微變化對TFBG透射光譜的影響

高久鵬,黃勇林,陶子盛

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

環(huán)境折射率的細微變化對TFBG透射光譜的影響

高久鵬,黃勇林,陶子盛

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

利用OptiGrating軟件研究了TFBG(傾斜光纖光柵)在環(huán)境折射率變化極其微小的情況下不同模式的光譜特性。結(jié)果表明,微小環(huán)境折射率的變化對纖芯模與幻影模的影響甚微,卻對包層模影響較大。由于變化極小,包層模諧振波長的漂移可以忽略,只需考慮諧振峰深度的變化。發(fā)現(xiàn)波長在1 542 nm附近的高階包層模對環(huán)境折射率高度敏感,并且在一定的范圍內(nèi)靈敏度極高,最高可達10―5量級,在高精度折射率傳感領(lǐng)域前景廣闊。

傾斜光纖光柵;環(huán)境折射率;高階包層模;高精度折射率傳感

0 引 言

光纖光柵是一種重要的光學器件,它對外部環(huán)境特別是折射率的敏感性一直是有吸引力的研究和開發(fā)課題[1]。在傳感領(lǐng)域的應用中,環(huán)境折射率的測量主要依靠LPG(長周期光纖光柵)[2],但由于LPG存在光柵長度較長、使用不方便和交叉敏感大等劣勢無法得到廣泛應用。TFBG(傾斜光纖光柵)的出現(xiàn)彌補了光纖光柵在折射率傳感領(lǐng)域的空白,利用外界折射率變化導致TFBG透射譜功率發(fā)生變化和波長漂移的特性即可實現(xiàn)對外界折射率的測量[3]。前人在TFBG折射率傳感領(lǐng)域已有一些研究[4-5],但就TFBG在高精度折射率傳感領(lǐng)域的研究還未見報道。本文主要研究TFBG在環(huán)境折射率變化極其微小、精度極高情況下的透射光譜特性。

1 TFBG折射率傳感理論

TFBG的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,光纖的軸向方向為z軸,垂直于柵格方向設(shè)為z′軸,兩者的夾角為θ。相應的,垂直于光軸方向設(shè)為x軸,平行于柵格方向設(shè)為x′軸,x和x′之間的夾角也為θ。垂直于刪格方向的周期為Λ,TFBG的有效周期為Λg,且有Λg=Λ/cosθ。

圖1 TFBG結(jié)構(gòu)示意圖

由于TFBG的特殊結(jié)構(gòu),使得前向傳播的入射光除了部分耦合為滿足布拉格條件的后向傳導的纖芯模外,其余的還將耦合為一系列后向傳導的包層模。由于TFBG普遍使用單模光纖,故僅有纖芯模在光纖內(nèi)傳輸,而包層模的能量將在傳播中快速消失,最后在光柵光譜中僅留下包層模透射峰。當柵格周期Λ不變時,隨著傾角θ的增大,TFBG的有效周期Λg也會不斷增大,且Λg與布拉格波長λBragg之間存在如下關(guān)系:

包層模滿足相位匹配條件:

式中,λcoupling,i為第i階包層模的耦合波長;neff,core為纖芯有效折射率;neff,clad,i為第i階包層模的有效折射率[6]。

當傾斜角度較小時(傾斜角＜10°),光柵光譜中纖芯模的左側(cè)還將出現(xiàn)一個低階包層模的幻影模[6]。TFBG的各模式耦合受外界環(huán)境影響密切,其中纖芯模只對溫度和應力敏感,而包層模則對應力、溫度、彎曲和折射率等多個參量敏感[7-8],針對纖芯模與包層模不同的敏感特性,可對TFBG進行更加靈活多變的設(shè)計,使其在傳感領(lǐng)域有更為廣泛的應用。

2 實驗仿真與結(jié)果分析

使用OptiGrating軟件設(shè)計的TFBG結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中纖芯半徑a=4μm,折射率nco=1.46,包層半徑b=62.5μm,折射率ncl=1.45,第3層為外界環(huán)境介質(zhì),半徑?125μm,本文設(shè)定為200μm。

圖2 TFBG結(jié)構(gòu)示意圖

TFBG長度L=10 000μm,折射率調(diào)制深度為10―3,光柵周期為0.527 m。隨著傾角的增大,更多的能量被用于參與纖芯基模和包層模之間的耦合,包層模諧振峰將會增多,而包層模對折射率較為敏感,為了清晰地觀察包層模諧振峰的變化情況,將TFBG的傾斜角設(shè)定為8°,環(huán)境折射率nenv變化范圍在1.430～1.445時,得到不同環(huán)境折射率下的TFBG透射譜如圖3所示。

對比分析可知,TFBG纖芯基模諧振峰無論深度、帶寬或者諧振波長均不受外界nenv的影響。這一特性與普通短周期FBG(光纖布拉格光柵)一致,也是短周期FBG無法被用于折射率傳感的主要原因。觀察TFBG的幻影模,其諧振峰深度、帶寬和波長等也幾乎不隨外界nenv的變化而變化。最后分析包層模諧振峰,發(fā)現(xiàn)TFBG包層模諧振峰受外界nenv影響極其明顯,具體表現(xiàn)為:(1)隨著外界nenv增大,短波長處的包層模諧振峰首先消失,長波長處的包層模隨后也逐漸消失。(2)短波長處每消失一個包層模諧振峰,長波長處的某個諧振峰深度將會加深。這是因為隨著外界nenv的增大,越來越多的包層模式的傳播條件遭到破壞,包層模式按照從短波長到長波長的順序依次泄露到環(huán)境介質(zhì)中,導致其相應波長的諧振峰深度的變化。(3)折射率變化較小,對諧振峰的深度有影響,但對包層模諧振波長漂移的影響可以忽略不計。

圖3 不同環(huán)境折射率下TFBG的透射譜

進一步分析圖可以發(fā)現(xiàn),相比于低階包層模,高階包層模受nenv變化的影響更大。選取諧振波長在1 542 nm附近的高階包層模進行研究。圖4中所示位置即為本文需要研究的高階包層模。

圖4 TFBG折射率傳感研究所使用到的高階包層模

為了進一步研究高精度微小折射率變化下的TFBG包層模譜特性,我們縮小了折射率的變化范圍。圖5所示為nenv在1.442 1～1.442 3時的波

長/透射率曲線。從圖中可以看出:(1)該階包層模所選取的透射率極大值處的波長略有漂移,但幾乎不隨外界nenv的改變而改變,均在1 542.42 nm附近。(2)當nenv為1.442 1時,該包層模諧振峰深度為―51.83 dB。當nenv變化至1.442 3時,諧振深度變化至―0.342 dB。由此可以計算出該TFBG在此折射率區(qū)間內(nèi)的靈敏度約為25.74 dB/(0.000 1折射率變化),折射率探測精度達到了10―4量級。當nenv為1.442 19時,該包層模諧振峰深度為―36.98 dB,當nenv變化至1.442 198時,諧振深度變化至―7.15 dB,外界折射率的變化在1.442 19～1.442 198之間,靈敏度可達372.75 d B/(0.000 1折射率變化)或37.275 dB/(0.000 01折射率變化),探測精度高達10―5量級,這是傳統(tǒng)的LPG無法匹及的。

圖5 不同環(huán)境折射率下TFBG高階包層模透射率變化

該階包層模的環(huán)境折射率nenv與透射率的關(guān)系曲線圖如圖6所示,nenv由1.442 0逐漸增大到1.442 3。由圖可知:(1)隨著nenv的增大,該階包層模諧振峰深度呈非線性降低趨勢,透射率從―56 d B左右變?yōu)榧s0 dB;(2)該包層模透射率隨nenv的增大先緩慢增加,隨后在某一折射率范圍內(nèi)迅速增大,最后趨于平緩。其中,在nenv為1.442 15～1.442 25范圍內(nèi),透射率的變化速率較快。在折射率為1.442 20附近,包層模透射率變化最快。因此,在透射率1.442 15～1.442 25這區(qū)間內(nèi),TFBG對nenv變化極其敏感,與上文結(jié)論相吻合。

圖6 TFBG高階包層模環(huán)境折射率/透射率關(guān)系

3 結(jié)束語

本文研究了環(huán)境折射率的細微變化對TFBG透射光譜的影響,選取某一諧振波長附近的高階包層模,對其透射光譜進行研究。發(fā)現(xiàn)在一定的折射率變化范圍內(nèi),探測靈敏度極高,最高可達10―5量級。利用TFBG高階包層模對環(huán)境折射率高度敏感這一特性,可設(shè)計一個基于高階包層模諧振深度變化的高精度折射率傳感器,該傳感器輸入端可采用某一單一波長的激光器,接收端只需利用一個光功率計來測量輸出光功率即可探測出相應折射率。大大地簡化了結(jié)構(gòu),節(jié)約了成本。

[1]Besley J A,Wang T Reekie L.Fiber cladding mode sensitivity characterization for long-period gratings [J].J Lightwave Technol,2003,21(3):848―853.

[2]Dong Liang,Beatriz O,Laurence R.Coupling characteristics of cladding modes in tilted optical fiber Bragg gratings[J].Appl Opt,1998,37(22):5099―5105.

[3]艾瑞波,劉超,孫祺,等.傾斜光纖光柵透射光譜對外界介質(zhì)折射率的響應規(guī)律研究[J].科學技術(shù)與工程,2013,13(11):3101―3103.

[4]徐俊嬌,李杰,戎華北,等.少模光纖布拉格光柵折射率傳感的分析與測量[J].光學學報,2008,28(3):565―568.

[5]Zhao C L,Yang X,Demokan M S,et al.Simultaneous temperature and refractive index measurements using a 3 degrees slanted multimode fiber Bragg grating [J].J Lightwave Technol,2006,24(2):879―883.

[6]苗銀萍,劉波,趙啟大.不同包層直徑的傾斜光纖光柵折射率傳感特性[J].光學學報,2011,28(11):2072―2076.

[7]Lu Yuchun,Geng Rui,Wang Chuncan,et al.Polarization effects in tilted fiber bragg grating refractometers[J].J Lightwave Technol,2010,28(11):1677―1684.

[8]惲斌峰,陳娜,崔一平.基于包層模的光纖布拉格光柵折射率傳感特性[J].光學學報,2006,26(7):1013―1015.

Effect of Subtle Changes of Surrounding Refractive Index on TFBG Transmission Spectrum

GAO Jiu-peng,HUANG Yong-lin,TAO Zi-sheng
(School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

In this paper,we use OptiGrating software to investigate the spectral characteristics of TFBG different modes when surrounding refractive index changes extremely little.Result shows that the micro change of refractive index has very little impact on core mode and phantom mode,but has great impact on the cladding modes.Because the change is very little,the drift of cladding mode resonant wavelength can be neglected,and only the variation of the resonant peak depth needs to be considered.The high-order cladding modes near 1 542 nm wavelength are sensitive to the surrounding refractive index.In a certain range of refractive index,the precision is extremely high with orders of magnitude up to 10―5.The simulation results obtained in this paper has broad prospects in high precision refractive index sensing field.

TFBG;surrounding refractive index;higher-order cladding mode;high precision refractive index sensing

TN212

A

1005-8788(2016)06-0050-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.014

2016-06-15

國家自然科學基金資助項目(61275067)

高久鵬(1991―),男,江蘇揚州人。碩士研究生,主要研究方向為光纖通信與光波技術(shù)。