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什么是倾斜光纤光栅?

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发表时间:2021-07-29 10:13

倾斜光纤光栅( 也称作闪耀光纤布拉格光栅,是一种光栅平面与光纤轴向呈一定的夹角的新型无源光器件。倾斜光纤光栅与布拉格光纤光栅相同之处在于纤芯折射率调制是均匀的,不同之处在于倾斜光纤光栅由于光栅跟轴向的倾角存在而导致 TFBG中会有多种模式耦合,主要包括纤芯导模间的耦合、纤芯导模与包层模式之间的耦合以及纤芯导模与辐射模之间的耦合 包层无限大。模式间的耦合效率和泄露光的带宽由倾斜光纤光栅的倾角大小和折射率调制深度决定的。

当一束光入射进光纤到达光栅时,满足布拉格条件的都放生布拉格反射,而满足某阶包层辐射模式条件的光将耦合到包层中并与外界环境发生能量交换。所以,倾斜光栅不同倾角的情况下会有不同的谐振峰,光纤光栅的反射波长和光谱的反射率等特性也会随之变化。在某一适当的倾角范围内,倾斜光纤光栅与普通光纤布拉格光栅的反射谱特性十分相似,而在另一合适的倾角范围TFBG还具有长周期光纤光栅(LPG)相似的特性,因此在用TFBG检测各种环境因素变化时就可以通过检测倾斜光纤光栅的反射谱和透射谱变化,再经过相关解调仪信号分析达到测量的目的。

光纤光栅作为全新无源光器件在光纤通信系统和光纤传感领域都有着广泛的应用,相对于传统光纤光栅而言,倾斜光栅由于其本身的结构特点而导致的特性使得现在对其的研究主要集中在传感方面的研究,到目前为止已经有众多研究人员对单模倾斜光纤光栅进行研究,并取得了一系列成果。而对多模倾斜光栅的传感特性研究还比较少。下面就从国内外倾斜光纤光栅的传感特性研究做一些总结。

1.单模倾斜光纤光栅研究现状

国外对倾斜光纤光栅的研究较国内早很多,研究成果和方面更全。在1996年T.Erdogan和J. E. Sipe报道了对倾斜光纤相位光栅的研究。在文中,他们对倾斜光纤相位光栅的纤芯模式之间和纤芯模与辐射模之间的耦合损失有一个详细的理论分析,在此基础上对这种光栅的光谱特性受倾角的影响下有大量的预言,理论结果与后续用紫外曝光写入的强倾斜光栅的实验结论之间进行对比,在0°到15°之间,理论分析计算结果和实际实验结果比较符合,最大反射率值两者也基本符合如图1所示。也得到在0°-45°,反向耦合系数随着倾斜角度增大而减小。

次年1997年T. Erdogan再次基于模式耦合理论对倾斜光纤光栅的光谱特性进行了分析。在单模倾斜光栅中,倾角主要是影响了光栅的条纹可见度,随着倾斜角度的增加,条纹可见不断减小。

2000年,刘崇琪对倾斜光纤光栅的反射特性实施研究,对倾角与耦合系数的关系做了一定的推导,随着倾角的增大除了耦合系数减小外,反射谱的中心波长会向长波长方向移动,而光谱的大致形状不会发生改变。

2001年G.Laffont和P.Ferdinand研究了倾斜短周期光纤光栅的透射谱在不同环境介质的折射率中的变化。外部折射率最大值小于光纤包层的折射率的条件下,随着外部环境折射率的增加,透射光谱的包络逐渐变得平滑。在单纯的温度影响下,倾斜光栅的每个包层模式耦合对温度的感应都是相互独立的。温度和折射率的变化都将引起透射谱的形状的变化。在基础上,他们进一步研究了倾斜光栅的温度和折射率交叉灵敏度。温度交叉灵敏度大约为-1.3 x10-5r.i.u°C-1

2002年,S. Beak等人把倾斜光纤光栅作为宏弯曲传感器,对其的传感特性进行了讨论,这种传感器在相应的宏弯曲的影响下,倾斜光栅透射谱中第一个边带耦合系数会发生变化,进而透射谱形状发生变化,就弯曲半径来说宏弯曲可测的最大范围为50mm。即使相同的弯曲量第一边带透射峰的传输特性也不相同,这就可以用来区分扭曲的方向,同时在不知道弯曲的情况下,依赖于弯曲方向的透射变化会给判断弯曲半径的变化时造成混淆。通过直接使用已知的扭曲光栅作为传感器能克服这一问题。级联的不同边带波长的倾斜光纤光栅上可实现对多点宏弯曲的检测。同年, C. Jauregui等人通过大量的实验首次对倾斜光纤光栅的辐射模的特性实施了研究,陈述了辐射时的波长依赖关系,相位掩模板倾斜角度与形成光栅的倾斜角度的关系还有光谱辐射损失。倾斜光栅角度与相位模板的角度在0°-20°内呈现很好的线性关系。

2003年,K.Zhou和A. G. Simpson等利用相位模板技术和全息写入技术在普通单模光纤中制作了大量的倾斜光栅,在不同的倾角下,利用边带检测技术,倾斜光栅的远场辐射能量分布能被有效测量,空间谱分辨率高达0.17mm/nm。单模倾斜光栅的透射损失如下图2所示:

倾斜光纤光栅( 也称作闪耀光纤布拉格光栅,是一种光栅平面与光纤轴向呈一定的夹角的新型无源光器件。倾斜光纤光栅与布拉格光纤光栅相同之处在于纤芯折射率调制是均匀的,不同之处在于倾斜光纤光栅由于光栅跟轴向的倾角存在而导致 TFBG中会有多种模式耦合,主要包括纤芯导模间的耦合、纤芯导模与包层模式之间的耦合以及纤芯导模与辐射模之间的耦合 包层无限大。模式间的耦合效率和泄露光的带宽由倾斜光纤光栅的倾角大小和折射率调制深度决定的。

当一束光入射进光纤到达光栅时,满足布拉格条件的都放生布拉格反射,而满足某阶包层辐射模式条件的光将耦合到包层中并与外界环境发生能量交换。所以,倾斜光栅不同倾角的情况下会有不同的谐振峰,光纤光栅的反射波长和光谱的反射率等特性也会随之变化。在某一适当的倾角范围内,倾斜光纤光栅与普通光纤布拉格光栅的反射谱特性十分相似,而在另一合适的倾角范围TFBG还具有长周期光纤光栅(LPG)相似的特性,因此在用TFBG检测各种环境因素变化时就可以通过检测倾斜光纤光栅的反射谱和透射谱变化,再经过相关解调仪信号分析达到测量的目的。

光纤光栅作为全新无源光器件在光纤通信系统和光纤传感领域都有着广泛的应用,相对于传统光纤光栅而言,倾斜光栅由于其本身的结构特点而导致的特性使得现在对其的研究主要集中在传感方面的研究,到目前为止已经有众多研究人员对单模倾斜光纤光栅进行研究,并取得了一系列成果。而对多模倾斜光栅的传感特性研究还比较少。下面就从国内外倾斜光纤光栅的传感特性研究做一些总结。

1.单模倾斜光纤光栅研究现状

国外对倾斜光纤光栅的研究较国内早很多,研究成果和方面更全。在1996年T.Erdogan和J. E. Sipe报道了对倾斜光纤相位光栅的研究。在文中,他们对倾斜光纤相位光栅的纤芯模式之间和纤芯模与辐射模之间的耦合损失有一个详细的理论分析,在此基础上对这种光栅的光谱特性受倾角的影响下有大量的预言,理论结果与后续用紫外曝光写入的强倾斜光栅的实验结论之间进行对比,在0°到15°之间,理论分析计算结果和实际实验结果比较符合,最大反射率值两者也基本符合如图1所示。也得到在0°-45°,反向耦合系数随着倾斜角度增大而减小。

图1 倾斜光栅的最大反射率倾角的关系(圆点代表实验测量值,实线代表理论值)

次年1997年T. Erdogan再次基于模式耦合理论对倾斜光纤光栅的光谱特性进行了分析。在单模倾斜光栅中,倾角主要是影响了光栅的条纹可见度,随着倾斜角度的增加,条纹可见不断减小。

2000年,刘崇琪对倾斜光纤光栅的反射特性实施研究,对倾角与耦合系数的关系做了一定的推导,随着倾角的增大除了耦合系数减小外,反射谱的中心波长会向长波长方向移动,而光谱的大致形状不会发生改变。

2001年G.Laffont和P.Ferdinand研究了倾斜短周期光纤光栅的透射谱在不同环境介质的折射率中的变化。外部折射率最大值小于光纤包层的折射率的条件下,随着外部环境折射率的增加,透射光谱的包络逐渐变得平滑。在单纯的温度影响下,倾斜光栅的每个包层模式耦合对温度的感应都是相互独立的。温度和折射率的变化都将引起透射谱的形状的变化。在基础上,他们进一步研究了倾斜光栅的温度和折射率交叉灵敏度。温度交叉灵敏度大约为-1.3 x10-5r.i.u°C-1

2002年,S. Beak等人把倾斜光纤光栅作为宏弯曲传感器,对其的传感特性进行了讨论,这种传感器在相应的宏弯曲的影响下,倾斜光栅透射谱中第一个边带耦合系数会发生变化,进而透射谱形状发生变化,就弯曲半径来说宏弯曲可测的最大范围为50mm。即使相同的弯曲量第一边带透射峰的传输特性也不相同,这就可以用来区分扭曲的方向,同时在不知道弯曲的情况下,依赖于弯曲方向的透射变化会给判断弯曲半径的变化时造成混淆。通过直接使用已知的扭曲光栅作为传感器能克服这一问题。级联的不同边带波长的倾斜光纤光栅上可实现对多点宏弯曲的检测。同年, C. Jauregui等人通过大量的实验首次对倾斜光纤光栅的辐射模的特性实施了研究,陈述了辐射时的波长依赖关系,相位掩模板倾斜角度与形成光栅的倾斜角度的关系还有光谱辐射损失。倾斜光栅角度与相位模板的角度在0°-20°内呈现很好的线性关系。

2003年,K.Zhou和A. G. Simpson等利用相位模板技术和全息写入技术在普通单模光纤中制作了大量的倾斜光栅,在不同的倾角下,利用边带检测技术,倾斜光栅的远场辐射能量分布能被有效测量,空间谱分辨率高达0.17mm/nm。单模倾斜光栅的透射损失如下图2所示:

图1单模倾斜光栅的透射谱:(a)相位模板写入(b)全息写入

这种空间到光谱的编码功能使得倾斜光纤光栅用做低成本的波分复用(WDM)装置,在通信和光传感中也大有应用。

2004 年,Z. Y. Zhao 等人,通过改变光栅的倾角和紫外曝光剂量,对倾角为0°,1.1°,2.2°,3.3°,4.4°,5.5°光纤光栅进行构造,实验得到的数据和理论计算结果相符合。以此方法可以构造自行设计的反射光谱特性的倾斜光栅,在文中,他们获得5nm 带宽的均匀反射谱性质的倾斜光纤光栅,反射率90%。2005 年,C. Chen 等人对倾斜光栅的纤芯模式和包层模式的不同传感特性进行了研究分析。得到相位匹配条件下的布拉格中心波长和包层模的波长可由下俩式表示:

λB=2neff/cosθ (1-1)

λiclad=(nieff+niclad)∧/cosθ (1-2)

式中,neff芯模式在波长λB的有效折射率,nieff和niclad是芯模和包层模式在第i阶包层模式波长λiclad处相应的有效折射率。∧是倾斜光栅的周期,θ是倾斜光栅倾斜的角度。如果只考虑外界折射率△next变化和温度变化△T的影响,光栅布拉格波长和包层模的波长漂(△λB,△λiclad)可以如下表示,

在标准的单模光纤中,纤芯模式的有效折射率(neff,nieff)是对外部环境折射率不敏感的,所以上两式还可进一步简化。实验验证中,他们对倾斜光栅的折射率、温度和弯曲的传感特性都进行了研究。2006年,C. Chen等人对不同包层厚度的倾斜光栅的应变特性又进行了研究。

2005年,郑崇伟和戴瑜兴从倾斜光栅的结构特点和光波耦合方程出发,研究分析了倾斜光栅的反射特性,利用模拟结果得知倾斜会导致反射谱的中心波长向长波方向移动,波纹增大,带宽减小实验波纹减小,色散增大。2006年,周次明等人再次对倾斜光纤光栅反射谱特性进行研究。理论研究了等效条纹可见度,如下图3所示:

图3 倾斜光栅等效条纹可见度与倾角的关系

2006 年,K. M. Zhou 等人制造出倾角大于80°的单模倾斜光纤光栅结构,并研究其对温度,压力,环境媒介折射率变换的传感特性,与普通单模均匀光纤光栅和长周期光栅的结果进行比较,这种结构尤其对环境折射率的传感有很高的灵敏度和更低的温度交叉灵敏度。与传统的长周期相比,这种倾斜光栅的在折射率1.33 附近的灵敏度是长周期光栅的三倍达到了340 nm 每折射率单位。同年,L.Labonte 等人在微纳光纤中写入倾斜短周期光纤光栅,研究了这种特殊倾斜光栅插入多模光纤空孔中其光谱对折射率的传感的灵敏度。在多模光纤的每个孔洞中注入不同折射率的标准液油,测量倾斜光栅透射谱中前面四阶波长的漂移,同时与两种模拟工具的模拟结果比较,所有的结果非常一致。国内藤成风等人研究了倾斜光纤光栅的应变灵敏度。

2008 年,南开大学Y. P. Miao 等人利用倾角为8°的倾斜光纤光栅实施对环境折射率变化的检测,而这种折射率传感器对温度是不敏感的。之后对倾斜光栅用氢氟酸进行腐蚀得到不同直径的倾斜光纤光栅,分析相应的不同阶的包层模式。对不同直径做折射率实验后发现,包层半径更小的光栅对环境折射率更为灵敏,相比较于常规倾斜光栅这种方法可以提高光栅对环境折射率的灵敏度。同一直径的倾斜光栅高阶包层模式比低阶包层模式对环境折射率的灵敏度更高,而半径更小的光栅在较高折射率环境中的灵敏度更高。北京交通大学鲁韶华等人研究了倾角对倾斜光纤光栅辐射模式之间的耦合波长的影响,辐射模耦合具有偏振依赖特性。同在南开大学的张键等人基于倾斜光纤光栅做了折射率特性传感实验,光栅透射功在环境折射1.3723 到1.4532 之间率呈线性减少。通过检测倾斜光栅透射功率变化就可知道环境折射率的变化而不需要去检测光栅波长的变化。

同年加拿大渥太华C. K. Chen 等人[27]利用单模光纤中纤芯模式的反射响应波长作为参考,而包层模式的响应的波长漂移有选择性的用于测量应变扰动、环境折射率和温度。环境折射率波动范围在1.25 至1.44 内,透射谱中包层模式对环境折射率变化测量精度高达1x10-4 .在对光栅光纤外面镀上10-50nm 厚的金属后,在金属层表面等离子激光被激发,可作为克利切莫等离子振体的光学传感器。

2009 年,T. Guo 等人[28]通过一个高斯啁啾的倾斜FBG 实现了温度不敏感的微位移测量。其内部的倾斜角度是通过沿特殊设计的弯曲悬臂梁上的位移所致的高斯应力梯度调制。当梁产生位移时,相位匹配失调减弱了纤芯与涂覆层之间的模式耦合。‘Ghost’模式的透射功率响应对位移表现出很强的敏感度,这种FBG 对空间的均匀温度变化不敏感。成功获得了Ghost 模式功率检测位移变化而对温度不敏感的传感装置。

2.多模倾斜光栅研究现状

相对于单模倾斜光栅,国内外对多模倾斜光栅的研究较少,对多模倾斜光栅的传感特性的研究就更少了。

2000 年,T. Mizunami 等人对多模光纤中的布拉格光栅的传输特性从理论和实验量方面进行了研究。在多模光纤光栅中,反射谱和透射谱中都有多个峰形成。对于标准的渐变多模光纤,反射谱中峰 的数量主要依赖于传输模式的触发条件。在波长 1550 nm 附近,低阶触发有3-4 个峰,高阶触发时有19 个峰。通过分析传输模式的相位匹配条件得知一半的反射峰形成是由于和本身反射回来的模式耦合形成,而另一半是由于和相邻的模式耦合形成。

2003年 6 月 X. F. Yang 等人首次利用单模光纤光栅制作技术在渐变多模光纤中写入了倾斜光栅,光栅中折射率周期性扰动使得纤芯基模与更高阶的纤芯模、包层模和辐射模之间的耦合。光栅在一定的倾角内 ( 4°) 透射谱有不同的特点。7 月 K. Zhou 等人15 对单模 和多模倾斜光纤光栅的透射谱进行比较,用相位模板技术和全息法写入不同角度的倾斜光栅透射谱如图 4 所示:

图 4 多模倾斜光栅的透射谱:( a)相位模板写入 ( b)全息写入图

图2 和图 4 比较可知,多模倾斜光栅的包层、辐射模模耦合更强,并且更能受限在光纤内。

2005年 X. F. Chen 等人利用氢氟酸腐蚀的办法对多模光纤光栅进行处理后,当研究其折射率传感特性时,发现了不同模式几个明显变化趋势,高阶模式相对于低阶模式对折射率变化有更高的灵敏度。

3.倾斜光纤光栅的传感应用现状

随着人们对光纤传感的不断重视,在众多科研工作者的努力研究下,对新型传感器倾斜光纤光栅传感器的研究也在飞速发展 ,倾斜光纤光栅传感器的应用范围也不断在拓展。倾斜光纤光栅展现了其自身的传感优势和广阔的应用前景。

在浓度检测方面,倾斜光纤光栅发挥了传统均匀光纤光栅传感器不可替代的作用,传统光纤光栅并不能对浓度进行检测而长周期光纤光栅的大体积和大交叉敏感度研制了其应用范围。倾斜光纤光栅通过检测所处环境折射率变化来传感环境浓度的变化。可根据实际要求通过腐蚀一定包层提高测量灵敏度。前面已经有研究人员实验得出单模倾斜光纤光栅对折射率的铭感度能达到常规长周期光纤光栅的数倍。在位移监测方面,倾斜光纤光栅对应变量变化具有很好的线性敏感度,自然对位移的检测也能通过观察倾斜光纤光栅的波长和透射谱图像的变化来实现。倾斜光栅除了能感受压缩和拉伸的同时,还能感受本身的弯曲,前面有相关研究人员分析了单模倾斜光栅光栅的宏弯特性,曲率半径的变化和弯曲扭曲方向不同都会使得光栅透射谱相应的变化。

  无锡易卿辰光电科技,可提供各类倾斜光纤光栅的定制。


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