基于傾斜布拉格光纖光柵的高靈敏度折射率傳感器

石 磊,劉云啟,宋紅亮, 鄒 芳,王廷云

光纖傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于生物測(cè)量、環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域.光纖傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn),包括體積小、重量輕、在危險(xiǎn)環(huán)境下操作安全、抗電磁干擾性強(qiáng)、具有較高的靈敏度[1-13].傾斜布拉格光纖光柵(tilted f i ber Bragg grating,TFBG)可以實(shí)現(xiàn)包層模與纖芯模的耦合,在布拉格反射峰短波方向會(huì)出現(xiàn)一系列的包層模損耗峰,而包層模對(duì)環(huán)境折射率敏感.TFBG包層模諧振峰的強(qiáng)度和波長(zhǎng)位置對(duì)外界環(huán)境折射率均具有高敏感性的特點(diǎn),因此受到了越來越多的關(guān)注和研究.Albert等[1]證明了TFBG可以用于高分辨率的折射率測(cè)量、表面等離子共振的應(yīng)用以及多參量的物理探測(cè)(應(yīng)變、振動(dòng)、曲率和溫度).Laあont等[2]提出了一種根據(jù)光柵光譜的上下包絡(luò)曲線準(zhǔn)確測(cè)量折射率的方法.Miao等[3]根據(jù)TFBG透射光譜的功率進(jìn)行了折射率傳感測(cè)量.另外,基于細(xì)芯光纖的TFBG[4]或者TFBG與啁啾光纖光柵級(jí)聯(lián)[5]都可以實(shí)現(xiàn)反射式傳感測(cè)量.

本工作基于不同的光敏光纖制備了不同傾斜角度的TFBG,并通過實(shí)驗(yàn)研究了TFBG的折射率特性.結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著環(huán)境折射率的增加,高階包層模諧振峰會(huì)逐漸消失,且短波方向即將消失的高階包層模諧振峰(從短波方向開始,取第一個(gè)包層模透射峰的對(duì)比度與其前一個(gè)透射峰對(duì)比度相差較大的透射峰,例如,對(duì)比度差大于5 dB)的波長(zhǎng)隨著環(huán)境折射率的增大而線性增大.

1 原理

與普通的光纖布拉格光柵(f i ber Bragg grating,FBG)不同,TFBG的光柵與纖芯的軸向存在一定的夾角θ,如圖1所示.相位匹配條件為

式中,n0為纖芯的有效折射率,Λ為沿纖芯方向柵格的周期,θ為柵面的傾斜角為沿纖芯方向的有效柵格周期,ni為第i階包層模的有效折射率.因此,在TFBG的透射譜中除了布拉格諧振峰外,還存在一系列位于布拉格諧振峰左側(cè)的包層模諧振峰.

圖1 TFBG光柵示意圖Fig.1 Schematic diagram of the TFBG

在單模光纖中,柵面與纖芯軸向存在的夾角加強(qiáng)了前向傳輸?shù)睦w芯模與后向傳輸?shù)陌鼘幽５鸟詈?而減小了與后向傳輸?shù)睦w芯模的耦合.在這個(gè)條件下,包層模諧振峰的波長(zhǎng)位置不僅與纖芯模的有效折射率有關(guān),還與包層模有效折射率有關(guān).包層模的有效折射率依賴于包層折射率和圍繞著包層外界介質(zhì)的折射率,因此包層模對(duì)環(huán)境折射率敏感.當(dāng)外界環(huán)境折射率接近導(dǎo)模的有效折射率時(shí),導(dǎo)模的諧振峰首先會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)漂移,而當(dāng)環(huán)境折射率達(dá)到有效折射率時(shí),諧振峰就停止漂移,但對(duì)比度開始減小直至接近于0[1].因此,通過檢測(cè)包層模波長(zhǎng)的變化可以探測(cè)環(huán)境的折射率.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用193 nm的ArF準(zhǔn)分子激光器對(duì)Fibercore PS 1250/1500光纖(纖芯直徑8.9μm、包層直徑125μm、截止波長(zhǎng)1 260 nm、硼鍺共摻光敏光纖)與Nufern GF1AA光纖(纖芯直徑8.5μm、包層直徑125μm、截止波長(zhǎng)1 350 nm、高摻鍺光敏光纖)進(jìn)行曝光.用Photon Kinetics公司生產(chǎn)的S14折射率分析儀測(cè)得Nufern GF1AA光纖的折射率分布,結(jié)果如圖2所示.采用相位掩膜法制備不同傾斜角的TFBG,其中相位掩模板的周期為1 071.93 nm,制備光柵的有效長(zhǎng)度為1.5 cm.

圖2 GF1AA光纖折射率分布Fig.2 Refractive index distribution of GF1AA f i ber

采用波長(zhǎng)分辨率為0.02 nm的AQ6370B光譜儀對(duì)TFBG的透射譜進(jìn)行檢測(cè).圖3為在GF1AA光纖和PS 1250/1500光纖上刻寫角度為2°的TFBG的透射譜.由圖3可以看出,在兩個(gè)透射譜中都有兩套包層模諧振峰.GF1AA光纖是一種抑制包層模的光敏光纖,在光纖的纖芯和包層之間多了一層抑制包層.在光柵傾斜時(shí),GF1AA光纖的纖芯模和一個(gè)與LP11纖芯模具有相似模式分布的包層模發(fā)生強(qiáng)耦合,產(chǎn)生幻影模.因此,只有刻寫在GF1AA光纖上的TFBG透射譜出現(xiàn)了幻影模[6].另外,GF1AA光纖的TFBG的最大光柵對(duì)比度僅約為15 dB,而PS 1250/1500光纖可達(dá)到30 dB左右,這主要是因?yàn)镻S 1250/1500光纖具有更高的光敏性.

圖3 兩種光敏光纖傾斜角為2°的TFBG的透射譜Fig.3 Transmission spectra of the TFBG with a tilt angle of 2°

傾斜布拉格光纖光柵的傾角越大,越容易激發(fā)短波方向的高階模.因此,隨著傾角的增大,短波方向高階模的耦合效率逐漸增大,而長(zhǎng)波方向低階模的耦合效率越來越小[6].圖4為PS 1250/1500光纖傾斜角為2°,4°,6°和8°的TFBG的透射譜.從圖4可以看出:隨著角度的增加,低階包層模諧振峰逐漸消失,而高階包層模卻越來越明顯,最后布拉格諧振峰消失,而且光柵寫制效率會(huì)越來越低;光柵寫入傾斜角度增大時(shí),其布拉格諧振波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波方向漂移,因此其透射譜整體向長(zhǎng)波方向漂移,但是透射譜中高對(duì)比度的透射峰卻越來越集中于短波區(qū)域.

圖4 PS 1250/1500光纖傾斜角不同時(shí)TFBG的透射譜Fig.4 Transmission spectra of the TFBG with diあerent tilt angles in the PS 1250/1500 f i ber

對(duì)刻寫在PS 1250/1500光纖上傾斜角不同的TFBG進(jìn)行折射率傳感實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中折射率匹配液的折射率η為1.337～1.474.當(dāng)外界環(huán)境折射率到達(dá)或者超過包層模的有效折射率時(shí),包層模不會(huì)繼續(xù)被傳導(dǎo),隨之會(huì)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的輻射模而消失.圖5為環(huán)境折射率不同時(shí)TFBG的透射譜的變化情況.由圖5可以看出,隨著外界環(huán)境折射率的逐漸增加,短波方向(對(duì)應(yīng)高階包層模)包層模的對(duì)比度逐漸消減,這是因?yàn)楦唠A包層模有著相對(duì)較低的有效折射率,從而首先轉(zhuǎn)換成輻射模.因此,當(dāng)環(huán)境折射率增大時(shí),高階包層模首先消失,繼續(xù)增加環(huán)境折射率,則更多的包層模消失,并且透射譜向長(zhǎng)波方向漂移.另外,對(duì)于具有更大傾斜角的TFBG,在環(huán)境折射率較低時(shí)就有更高階包層模諧振峰消失,但與較高環(huán)境折射率對(duì)應(yīng)的更低階包層模諧振峰卻不存在.因此,TFBG的傾斜角決定了折射率測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的大小.

圖5刻寫在PS 1250/1500光纖上不同環(huán)境折射率下的TFBG透射譜Fig.5 Transmission spectra of the TFBG written in the PS 1250/1500 f i ber with diあerent SRI

圖6 為外界環(huán)境折射率變化過程中傾斜角不同時(shí)TFBG透射譜中短波方向?qū)⑾У陌鼘幽ＶC振峰的波長(zhǎng)位置的變化.從圖6中可以看出,第一個(gè)沒有消失的包層模諧振峰的波長(zhǎng)位置與外界環(huán)境折射率具有較好的線性關(guān)系,即隨著環(huán)境折射率的增加,短波方向即將消失的高階包層模諧振峰的波長(zhǎng)位置是呈線性增加的.對(duì)于傾斜角分別為2°,4°,6°和8°的TFBG,所測(cè)得的折射率靈敏度分別為537,534,539和562 nm/RIU,所有的包層模諧振峰都消失時(shí)與之對(duì)應(yīng)的外界環(huán)境折射率分別為1.474,1.457,1.438和1.398.對(duì)刻寫在GF1AA光纖上傾斜角不同的TFBG的折射率傳感特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中對(duì)于傾斜角為4°的TFBG,測(cè)得的折射率靈敏度為554 nm/RIU.

圖6 短波方向消失的包層模諧振峰的波長(zhǎng)與外界環(huán)境折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Dependence of the resonance wavelength of disappeared cladding modes at shorter wavelength on the SRI

普通TFBG的折射率靈敏度為2 nm/RIU,而基于等離子共振效應(yīng)的鍍金膜TFBG的折射率靈敏度為454 nm/RIU[7].因此,TFBG的包層模波長(zhǎng)漂移可以用來進(jìn)行環(huán)境折射率的測(cè)量.且可以取得較高的折射率靈敏度,約為普通TFBG波長(zhǎng)測(cè)量方法的265倍,并且相對(duì)于鍍金膜的TFBG,本工作提出的方法更簡(jiǎn)單,成本更低.

3 結(jié)束語

本工作對(duì)TFBG的折射率傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究,提出了一種高靈敏度的折射率測(cè)量方法,即通過測(cè)量即將消失的高階包層模諧振峰的波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境折射率的測(cè)量,且該方法的折射率靈敏度可達(dá)530 nm/RIU以上.另外,通過選擇適當(dāng)?shù)墓鈻艃A斜角度,還可以對(duì)其折射率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行調(diào)節(jié).

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