基于倾斜布拉格光纤光栅的高灵敏度折射率传感器

石 磊,刘云启,宋红亮, 邹 芳,王廷云

光纤传感器已经被广泛地应用于生物测量、环境探测等领域.光纤传感器具有很多优点,包括体积小、重量轻、在危险环境下操作安全、抗电磁干扰性强、具有较高的灵敏度[1-13].倾斜布拉格光纤光栅(tilted f i ber Bragg grating,TFBG)可以实现包层模与纤芯模的耦合,在布拉格反射峰短波方向会出现一系列的包层模损耗峰,而包层模对环境折射率敏感.TFBG包层模谐振峰的强度和波长位置对外界环境折射率均具有高敏感性的特点,因此受到了越来越多的关注和研究.Albert等[1]证明了TFBG可以用于高分辨率的折射率测量、表面等离子共振的应用以及多参量的物理探测(应变、振动、曲率和温度).Laあont等[2]提出了一种根据光栅光谱的上下包络曲线准确测量折射率的方法.Miao等[3]根据TFBG透射光谱的功率进行了折射率传感测量.另外,基于细芯光纤的TFBG[4]或者TFBG与啁啾光纤光栅级联[5]都可以实现反射式传感测量.

本工作基于不同的光敏光纤制备了不同倾斜角度的TFBG,并通过实验研究了TFBG的折射率特性.结果发现,随着环境折射率的增加,高阶包层模谐振峰会逐渐消失,且短波方向即将消失的高阶包层模谐振峰(从短波方向开始,取第一个包层模透射峰的对比度与其前一个透射峰对比度相差较大的透射峰,例如,对比度差大于5 dB)的波长随着环境折射率的增大而线性增大.

1 原理

与普通的光纤布拉格光栅(f i ber Bragg grating,FBG)不同,TFBG的光栅与纤芯的轴向存在一定的夹角θ,如图1所示.相位匹配条件为

式中,n0为纤芯的有效折射率,Λ为沿纤芯方向栅格的周期,θ为栅面的倾斜角为沿纤芯方向的有效栅格周期,ni为第i阶包层模的有效折射率.因此,在TFBG的透射谱中除了布拉格谐振峰外,还存在一系列位于布拉格谐振峰左侧的包层模谐振峰.

图1 TFBG光栅示意图Fig.1 Schematic diagram of the TFBG

在单模光纤中,栅面与纤芯轴向存在的夹角加强了前向传输的纤芯模与后向传输的包层模的耦合,而减小了与后向传输的纤芯模的耦合.在这个条件下,包层模谐振峰的波长位置不仅与纤芯模的有效折射率有关,还与包层模有效折射率有关.包层模的有效折射率依赖于包层折射率和围绕着包层外界介质的折射率,因此包层模对环境折射率敏感.当外界环境折射率接近导模的有效折射率时,导模的谐振峰首先会发生波长漂移,而当环境折射率达到有效折射率时,谐振峰就停止漂移,但对比度开始减小直至接近于0[1].因此,通过检测包层模波长的变化可以探测环境的折射率.

2 实验结果与讨论

利用193 nm的ArF准分子激光器对Fibercore PS 1250/1500光纤(纤芯直径8.9µm、包层直径125µm、截止波长1 260 nm、硼锗共掺光敏光纤)与Nufern GF1AA光纤(纤芯直径8.5µm、包层直径125µm、截止波长1 350 nm、高掺锗光敏光纤)进行曝光.用Photon Kinetics公司生产的S14折射率分析仪测得Nufern GF1AA光纤的折射率分布,结果如图2所示.采用相位掩膜法制备不同倾斜角的TFBG,其中相位掩模板的周期为1 071.93 nm,制备光栅的有效长度为1.5 cm.

图2 GF1AA光纤折射率分布Fig.2 Refractive index distribution of GF1AA f i ber

采用波长分辨率为0.02 nm的AQ6370B光谱仪对TFBG的透射谱进行检测.图3为在GF1AA光纤和PS 1250/1500光纤上刻写角度为2°的TFBG的透射谱.由图3可以看出,在两个透射谱中都有两套包层模谐振峰.GF1AA光纤是一种抑制包层模的光敏光纤,在光纤的纤芯和包层之间多了一层抑制包层.在光栅倾斜时,GF1AA光纤的纤芯模和一个与LP11纤芯模具有相似模式分布的包层模发生强耦合,产生幻影模.因此,只有刻写在GF1AA光纤上的TFBG透射谱出现了幻影模[6].另外,GF1AA光纤的TFBG的最大光栅对比度仅约为15 dB,而PS 1250/1500光纤可达到30 dB左右,这主要是因为PS 1250/1500光纤具有更高的光敏性.

图3 两种光敏光纤倾斜角为2°的TFBG的透射谱Fig.3 Transmission spectra of the TFBG with a tilt angle of 2°

倾斜布拉格光纤光栅的倾角越大,越容易激发短波方向的高阶模.因此,随着倾角的增大,短波方向高阶模的耦合效率逐渐增大,而长波方向低阶模的耦合效率越来越小[6].图4为PS 1250/1500光纤倾斜角为2°,4°,6°和8°的TFBG的透射谱.从图4可以看出:随着角度的增加,低阶包层模谐振峰逐渐消失,而高阶包层模却越来越明显,最后布拉格谐振峰消失,而且光栅写制效率会越来越低;光栅写入倾斜角度增大时,其布拉格谐振波长会向长波方向漂移,因此其透射谱整体向长波方向漂移,但是透射谱中高对比度的透射峰却越来越集中于短波区域.

图4 PS 1250/1500光纤倾斜角不同时TFBG的透射谱Fig.4 Transmission spectra of the TFBG with diあerent tilt angles in the PS 1250/1500 f i ber

对刻写在PS 1250/1500光纤上倾斜角不同的TFBG进行折射率传感实验,实验中折射率匹配液的折射率η为1.337∼1.474.当外界环境折射率到达或者超过包层模的有效折射率时,包层模不会继续被传导,随之会转换成连续的辐射模而消失.图5为环境折射率不同时TFBG的透射谱的变化情况.由图5可以看出,随着外界环境折射率的逐渐增加,短波方向(对应高阶包层模)包层模的对比度逐渐消减,这是因为高阶包层模有着相对较低的有效折射率,从而首先转换成辐射模.因此,当环境折射率增大时,高阶包层模首先消失,继续增加环境折射率,则更多的包层模消失,并且透射谱向长波方向漂移.另外,对于具有更大倾斜角的TFBG,在环境折射率较低时就有更高阶包层模谐振峰消失,但与较高环境折射率对应的更低阶包层模谐振峰却不存在.因此,TFBG的倾斜角决定了折射率测量动态范围的大小.

图5刻写在PS 1250/1500光纤上不同环境折射率下的TFBG透射谱Fig.5 Transmission spectra of the TFBG written in the PS 1250/1500 f i ber with diあerent SRI

图6 为外界环境折射率变化过程中倾斜角不同时TFBG透射谱中短波方向将消失的包层模谐振峰的波长位置的变化.从图6中可以看出,第一个没有消失的包层模谐振峰的波长位置与外界环境折射率具有较好的线性关系,即随着环境折射率的增加,短波方向即将消失的高阶包层模谐振峰的波长位置是呈线性增加的.对于倾斜角分别为2°,4°,6°和8°的TFBG,所测得的折射率灵敏度分别为537,534,539和562 nm/RIU,所有的包层模谐振峰都消失时与之对应的外界环境折射率分别为1.474,1.457,1.438和1.398.对刻写在GF1AA光纤上倾斜角不同的TFBG的折射率传感特性进行实验研究,得到了类似的实验结果,其中对于倾斜角为4°的TFBG,测得的折射率灵敏度为554 nm/RIU.

图6 短波方向消失的包层模谐振峰的波长与外界环境折射率的对应关系Fig.6 Dependence of the resonance wavelength of disappeared cladding modes at shorter wavelength on the SRI

普通TFBG的折射率灵敏度为2 nm/RIU,而基于等离子共振效应的镀金膜TFBG的折射率灵敏度为454 nm/RIU[7].因此,TFBG的包层模波长漂移可以用来进行环境折射率的测量.且可以取得较高的折射率灵敏度,约为普通TFBG波长测量方法的265倍,并且相对于镀金膜的TFBG,本工作提出的方法更简单,成本更低.

3 结束语

本工作对TFBG的折射率传感特性进行了实验性研究,提出了一种高灵敏度的折射率测量方法,即通过测量即将消失的高阶包层模谐振峰的波长来实现环境折射率的测量,且该方法的折射率灵敏度可达530 nm/RIU以上.另外,通过选择适当的光栅倾斜角度,还可以对其折射率测量的动态范围进行调节.

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