环境折射率的细微变化对TFBG透射光谱的影响

高久鹏,黄勇林,陶子盛

(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)

环境折射率的细微变化对TFBG透射光谱的影响

高久鹏,黄勇林,陶子盛

(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)

利用OptiGrating软件研究了TFBG(倾斜光纤光栅)在环境折射率变化极其微小的情况下不同模式的光谱特性。结果表明,微小环境折射率的变化对纤芯模与幻影模的影响甚微,却对包层模影响较大。由于变化极小,包层模谐振波长的漂移可以忽略,只需考虑谐振峰深度的变化。发现波长在1 542 nm附近的高阶包层模对环境折射率高度敏感,并且在一定的范围内灵敏度极高,最高可达10―5量级,在高精度折射率传感领域前景广阔。

倾斜光纤光栅;环境折射率;高阶包层模;高精度折射率传感

0 引 言

光纤光栅是一种重要的光学器件,它对外部环境特别是折射率的敏感性一直是有吸引力的研究和开发课题[1]。在传感领域的应用中,环境折射率的测量主要依靠LPG(长周期光纤光栅)[2],但由于LPG存在光栅长度较长、使用不方便和交叉敏感大等劣势无法得到广泛应用。TFBG(倾斜光纤光栅)的出现弥补了光纤光栅在折射率传感领域的空白,利用外界折射率变化导致TFBG透射谱功率发生变化和波长漂移的特性即可实现对外界折射率的测量[3]。前人在TFBG折射率传感领域已有一些研究[4-5],但就TFBG在高精度折射率传感领域的研究还未见报道。本文主要研究TFBG在环境折射率变化极其微小、精度极高情况下的透射光谱特性。

1 TFBG折射率传感理论

TFBG的结构如图1所示,其中,光纤的轴向方向为z轴,垂直于栅格方向设为z′轴,两者的夹角为θ。相应的,垂直于光轴方向设为x轴,平行于栅格方向设为x′轴,x和x′之间的夹角也为θ。垂直于删格方向的周期为Λ,TFBG的有效周期为Λg,且有Λg=Λ/cosθ。

图1 TFBG结构示意图

由于TFBG的特殊结构,使得前向传播的入射光除了部分耦合为满足布拉格条件的后向传导的纤芯模外,其余的还将耦合为一系列后向传导的包层模。由于TFBG普遍使用单模光纤,故仅有纤芯模在光纤内传输,而包层模的能量将在传播中快速消失,最后在光栅光谱中仅留下包层模透射峰。当栅格周期Λ不变时,随着倾角θ的增大,TFBG的有效周期Λg也会不断增大,且Λg与布拉格波长λBragg之间存在如下关系:

包层模满足相位匹配条件:

式中,λcoupling,i为第i阶包层模的耦合波长;neff,core为纤芯有效折射率;neff,clad,i为第i阶包层模的有效折射率[6]。

当倾斜角度较小时(倾斜角＜10°),光栅光谱中纤芯模的左侧还将出现一个低阶包层模的幻影模[6]。TFBG的各模式耦合受外界环境影响密切,其中纤芯模只对温度和应力敏感,而包层模则对应力、温度、弯曲和折射率等多个参量敏感[7-8],针对纤芯模与包层模不同的敏感特性,可对TFBG进行更加灵活多变的设计,使其在传感领域有更为广泛的应用。

2 实验仿真与结果分析

使用OptiGrating软件设计的TFBG结构如图2所示,其中纤芯半径a=4μm,折射率nco=1.46,包层半径b=62.5μm,折射率ncl=1.45,第3层为外界环境介质,半径≫125μm,本文设定为200μm。

图2 TFBG结构示意图

TFBG长度L=10 000μm,折射率调制深度为10―3,光栅周期为0.527 m。随着倾角的增大,更多的能量被用于参与纤芯基模和包层模之间的耦合,包层模谐振峰将会增多,而包层模对折射率较为敏感,为了清晰地观察包层模谐振峰的变化情况,将TFBG的倾斜角设定为8°,环境折射率nenv变化范围在1.430～1.445时,得到不同环境折射率下的TFBG透射谱如图3所示。

对比分析可知,TFBG纤芯基模谐振峰无论深度、带宽或者谐振波长均不受外界nenv的影响。这一特性与普通短周期FBG(光纤布拉格光栅)一致,也是短周期FBG无法被用于折射率传感的主要原因。观察TFBG的幻影模,其谐振峰深度、带宽和波长等也几乎不随外界nenv的变化而变化。最后分析包层模谐振峰,发现TFBG包层模谐振峰受外界nenv影响极其明显,具体表现为:(1)随着外界nenv增大,短波长处的包层模谐振峰首先消失,长波长处的包层模随后也逐渐消失。(2)短波长处每消失一个包层模谐振峰,长波长处的某个谐振峰深度将会加深。这是因为随着外界nenv的增大,越来越多的包层模式的传播条件遭到破坏,包层模式按照从短波长到长波长的顺序依次泄露到环境介质中,导致其相应波长的谐振峰深度的变化。(3)折射率变化较小,对谐振峰的深度有影响,但对包层模谐振波长漂移的影响可以忽略不计。

图3 不同环境折射率下TFBG的透射谱

进一步分析图可以发现,相比于低阶包层模,高阶包层模受nenv变化的影响更大。选取谐振波长在1 542 nm附近的高阶包层模进行研究。图4中所示位置即为本文需要研究的高阶包层模。

图4 TFBG折射率传感研究所使用到的高阶包层模

为了进一步研究高精度微小折射率变化下的TFBG包层模谱特性,我们缩小了折射率的变化范围。图5所示为nenv在1.442 1～1.442 3时的波

长/透射率曲线。从图中可以看出:(1)该阶包层模所选取的透射率极大值处的波长略有漂移,但几乎不随外界nenv的改变而改变,均在1 542.42 nm附近。(2)当nenv为1.442 1时,该包层模谐振峰深度为―51.83 dB。当nenv变化至1.442 3时,谐振深度变化至―0.342 dB。由此可以计算出该TFBG在此折射率区间内的灵敏度约为25.74 dB/(0.000 1折射率变化),折射率探测精度达到了10―4量级。当nenv为1.442 19时,该包层模谐振峰深度为―36.98 dB,当nenv变化至1.442 198时,谐振深度变化至―7.15 dB,外界折射率的变化在1.442 19～1.442 198之间,灵敏度可达372.75 d B/(0.000 1折射率变化)或37.275 dB/(0.000 01折射率变化),探测精度高达10―5量级,这是传统的LPG无法匹及的。

图5 不同环境折射率下TFBG高阶包层模透射率变化

该阶包层模的环境折射率nenv与透射率的关系曲线图如图6所示,nenv由1.442 0逐渐增大到1.442 3。由图可知:(1)随着nenv的增大,该阶包层模谐振峰深度呈非线性降低趋势,透射率从―56 d B左右变为约0 dB;(2)该包层模透射率随nenv的增大先缓慢增加,随后在某一折射率范围内迅速增大,最后趋于平缓。其中,在nenv为1.442 15～1.442 25范围内,透射率的变化速率较快。在折射率为1.442 20附近,包层模透射率变化最快。因此,在透射率1.442 15～1.442 25这区间内,TFBG对nenv变化极其敏感,与上文结论相吻合。

图6 TFBG高阶包层模环境折射率/透射率关系

3 结束语

本文研究了环境折射率的细微变化对TFBG透射光谱的影响,选取某一谐振波长附近的高阶包层模,对其透射光谱进行研究。发现在一定的折射率变化范围内,探测灵敏度极高,最高可达10―5量级。利用TFBG高阶包层模对环境折射率高度敏感这一特性,可设计一个基于高阶包层模谐振深度变化的高精度折射率传感器,该传感器输入端可采用某一单一波长的激光器,接收端只需利用一个光功率计来测量输出光功率即可探测出相应折射率。大大地简化了结构,节约了成本。

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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

国家自然科学基金资助项目(61275067)

高久鹏(1991―),男,江苏扬州人。硕士研究生,主要研究方向为光纤通信与光波技术。