高久鵬,黃勇林,陶子盛

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210023)

環(huán)境折射率的細(xì)微變化對(duì)TFBG透射光譜的影響

高久鵬,黃勇林,陶子盛

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)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(duì)纖芯模與幻影模的影響甚微,卻對(duì)包層模影響較大。由于變化極小,包層模諧振波長(zhǎng)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(zhǎng)在1 542 nm附近的高階包層模對(duì)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(dá)10―5量級(jí),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(xué)器件,它對(duì)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(kāi)發(fā)課題[1]。在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用中,環(huán)境折射率的測(cè)量主要依靠LPG(長(zhǎng)周期光纖光柵)[2],但由于LPG存在光柵長(zhǎng)度較長(zhǎng)、使用不方便和交叉敏感大等劣勢(shì)無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。TFBG(傾斜光纖光柵)的出現(xiàn)彌補(bǔ)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(dǎo)致TFBG透射譜功率發(fā)生變化和波長(zhǎng)漂移的特性即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界折射率的測(cè)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(jiàn)報(bào)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?yàn)閦軸,垂直于柵格方向設(shè)為z′軸,兩者的夾角為θ。相應(yīng)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(dǎo)的纖芯模外,其余的還將耦合為一系列后向傳導(dǎo)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(dāng)柵格周期Λ不變時(shí),隨著傾角θ的增大,TFBG的有效周期Λg也會(huì)不斷增大,且Λg與布拉格波長(zhǎng)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(zhǎng);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(dāng)傾斜角度較小時(shí)(傾斜角＜10°),光柵光譜中纖芯模的左側(cè)還將出現(xiàn)一個(gè)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(duì)溫度和應(yīng)力敏感,而包層模則對(duì)應(yīng)力、溫度、彎曲和折射率等多個(gè)參量敏感[7-8],針對(duì)纖芯模與包層模不同的敏感特性,可對(duì)TFBG進(jìn)行更加靈活多變的設(shè)計(jì),使其在傳感領(lǐng)域有更為廣泛的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

使用OptiGrating軟件設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(huì)增多,而包層模對(duì)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(shí),得到不同環(huán)境折射率下的TFBG透射譜如圖3所示。

對(duì)比分析可知,TFBG纖芯基模諧振峰無(wú)論深度、帶寬或者諧振波長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)處的包層模諧振峰首先消失,長(zhǎng)波長(zhǎng)處的包層模隨后也逐漸消失。(2)短波長(zhǎng)處每消失一個(gè)包層模諧振峰,長(zhǎng)波長(zhǎng)處的某個(gè)諧振峰深度將會(huì)加深。這是因?yàn)殡S著外界nenv的增大,越來(lái)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(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)的順序依次泄露到環(huán)境介質(zhì)中,導(dǎo)致其相應(yīng)波長(zhǎng)的諧振峰深度的變化。(3)折射率變化較小,對(duì)諧振峰的深度有影響,但對(duì)包層模諧振波長(zhǎng)漂移的影響可以忽略不計(jì)。

圖3 不同環(huán)境折射率下TFBG的透射譜

進(jìn)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(zhǎng)在1 542 nm附近的高階包層模進(jìn)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(jìn)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(shí)的波

長(zhǎng)/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(zhǎng)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(dāng)nenv為1.442 1時(shí),該包層模諧振峰深度為―51.83 dB。當(dāng)nenv變化至1.442 3時(shí),諧振深度變化至―0.342 dB。由此可以計(jì)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(cè)精度達(dá)到了10―4量級(jí)。當(dāng)nenv為1.442 19時(shí),該包層模諧振峰深度為―36.98 dB,當(dāng)nenv變化至1.442 198時(shí),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(dá)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(cè)精度高達(dá)10―5量級(jí),這是傳統(tǒng)的LPG無(wú)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(shì),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(duì)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(yǔ)

本文研究了環(huán)境折射率的細(xì)微變化對(duì)TFBG透射光譜的影響,選取某一諧振波長(zhǎng)附近的高階包層模,對(duì)其透射光譜進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)在一定的折射率變化范圍內(nèi),探測(cè)靈敏度極高,最高可達(dá)10―5量級(jí)。利用TFBG高階包層模對(duì)環(huán)境折射率高度敏感這一特性,可設(shè)計(jì)一個(gè)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(zhǎng)的激光器,接收端只需利用一個(gè)光功率計(jì)來(lái)測(cè)量輸出光功率即可探測(cè)出相應(yīng)折射率。大大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),節(jié)約了成本。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61275067)

高久鵬(1991―),男,江蘇揚(yáng)州人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣饫w通信與光波技術(shù)。