三芯长周期光纤光栅温度传感性能研究

刘雯玥，王 标

(1. 天津泰普药品科技发展有限公司 天津300193；2. 中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

长周期光纤光栅具有灵敏度高、结构紧凑、抗电磁干扰等特性，在温度、应力、折射率等特征参数的测量中得到了越来越广泛的应用[1-2]。长周期光纤光栅的制备方法主要有紫外曝光法、CO2激光曝光法、腐蚀刻槽法、机械微弯法等。其中，CO2激光曝光法因其制备装置简单、成栅效率高等优势，逐渐得到研究者的青睐。

1 三芯长周期光纤光栅的制备

实验中所用的三芯光纤由中国电子科技集团公司第四十六研究所研制。三芯光纤的端面图如图1所示。同一个光纤包层中嵌入 3个纤芯。纤芯 1(中间纤芯)直径为 6μm，纤芯 2和纤芯 3(外侧纤芯)直径均为 9.6μm。纤芯 2、3与纤芯 1形成的夹角为120o。纤芯 1与纤芯 2、3的间距均为 35.3μm。在工作波长 1550nm 处，纤芯 1、2、3的折射率均为1.457，包层折射率1.444。

高频 CO2激光单侧曝光制备 LPFG的方法如文献所述。首先切取长度约为 5cm 的三芯光纤，在高倍光学显微镜下观察并标记纤芯 2、3的方向(纤芯2、3朝向高频 CO2激光曝光方向的一侧)。设定光纤光栅的周期为 560μm，栅格数为 30，对三芯光纤进行循环打标。三芯光纤光栅的透射谱变化如图2所示。随着 CO2激光循环打标次数的增加，光纤光栅的谐振峰逐渐增强。当经过 8次打标以后，光纤光栅的整体插入损耗为 2dB，谐振峰的波长位于1553.3nm，强度为 14dB，其中 3dB带宽值为2.4nm，远小于采用 CO2激光曝光方法在其他类型光纤(如常规单模光纤、微结构光纤、少模光纤等)写制的光纤光栅[3-5]。这主要是因为在三芯光纤的制备过程中，两个外侧纤芯经打孔组装法嵌入到光纤的包层中。纤芯与包层的热膨胀系数存在较大差异，组装好的光纤预制棒经拉丝冷却后，大量的残余应力被贮存在三芯光纤的包层中。三芯光纤经 CO2激光单侧曝光时，残余应力释放，调制深度增加，从而造成 Δneff增大。长周期光纤光栅谐振峰的 FWHM 带宽可以表示为：。随着Δneff的增大，FWHM带宽值减小，因而 3dB带宽的值也越小。在光纤传感测量过程中，谐振峰越窄，测量精度越高。

图2 三芯光纤光栅随着打标次数透射谱的变化Fig.2 Evolution of the tranmission spectra of the LPFG with the increase of the scanning cycles

图3 不同栅格周期的LPFG的透射谱Fig.3 Transmission spectra of the LPFG in different periods

在三芯光纤上制备不同周期的光纤光栅，并保证在制备光栅过程中，CO2激光的曝光方向及其他实验条件均与上述光栅相同。改变栅格周期，循环打标，制备得到栅格周期为565μm、栅格数为30的长周期光纤光栅，如图3所示。从图中可以看出，三芯长周期光纤光栅的谐振峰随着栅格周期的增加，向长波方向漂移。

2 温度传感性能测试

对三芯长周期光纤光栅进行温度性能测试。取光纤光栅样品(栅格周期为 560μm，栅格数为 30)水平置入温控箱中。从 20℃逐渐升高至 90℃，每隔10℃记录光谱数据。光纤光栅的谐振峰随温度的变化如图4a所示，从图中可以看出，随着温度的升高，光栅谐振峰发生红移现象。对谐振峰波长漂移的数据点进行线性拟合，如图4b所示，从图中可以看出，三芯长周期光纤光栅的温度灵敏度为 47.3pm/℃。其中，线性拟合度为0.996。

图4 三芯光纤光栅的温度响应Fig.4 Temperature response of the fiber grating

3 总 结

本文采用 CO2激光单侧曝光法在三芯光纤中成功制备了一种窄带宽的长周期光纤光栅。该光栅谐振峰的 3dB带宽值为 2.4nm，远小于常规长周期光纤光栅的 3dB带宽值。因此，实验中制备的光纤光栅在特征参数测量中，精确度更高。传感实验表明，三芯长周期光纤光栅的温度灵敏度为 47.3pm/℃。实验中制备样品可作为一种潜在的温度传感器。