基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

光　学　学　报第26卷　第7期Vol.26,No.7　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年7月July,2006ACTAOPTICASINICA

文章编号:0253-2239(2006)07-1013-3

基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

恽斌峰　陈　娜　崔一平**

(东南大学电子工程系先进光子学中心,南京210096)*

摘要:　提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300～1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。

关键词:　光纤光学;折射率传感器;腐蚀;包层模

中图分类号:TN253　　　文献标识码:A

RefractiveIndexSensingCharacteristicsofFiber

BraggGratingBasedonCladdingMode

YunBinfeng　ChenNa　CuiYiping

(AdvancedPhotonicsCenter,DepartmentofElectronicEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract:　AnewrefractiveindexsensingschemebasedonthecladdingmodesoffiberBragggrating(FBG)ispresented.Intheexperiments,glycerinaquaticsolutionswithdifferentconcertrationsareusedastheexternalrefractiveindexsensingmedia,andthecladdingdiameterofFBGisreducedbyetchingthefiberwithHFsolutiontoenhancethesensitivityofcladdingmodestotheexternalrefractiveindex.DependenceofthecouplingwavelengthoftheetchedFBGcladdingmodeontheexternalrefractiveindexismeasured.Theresultsshowthatintherefractiveindexrangeof1.3300～1.4584,thecouplingwavelengthofcladdingmodeshiftslongerwiththeincreaseoftheexternalrefractiveindexandahighersensitivityisachievedwhentheexternalrefractiveindexisclosetothatoffibercladding's,andthemaximumrefractiveindexsensitivityreaches172nm/riu(refractiveindexunit).Furthermore,thefull-width-at-half-maximum(FWHM)ofresonantcladdingmodeis0.07nm,whichisabout1/4ofthatofthecoremode's.Withthisnarrowerspectrum,ahighersensingresolutioncanbeachieved.

Keywords:　fiberoptics;refractiveindexsensor;etch;claddingmode

1　引　　言

光纤布拉格光栅传感器是一种新颖的光纤传感

器,作为波长编码型光纤传感器,它已经被广泛应用

于应变、温度等物理量的传感测量[14]由于长周期光纤光栅的光谱带宽在几十纳米的量级,测量精度受到了很大的限制。基于纤芯模式的光纤布拉格光栅折射率传感已经有相关报道,但是光纤布拉格光栅的包层模式的折射率特性尚未

有研究,本文提出基于光纤布拉格光栅(FBG)包层

模式的折射率传感方案。[10～13]。长周期光纤光栅(LPG)由于其谐振波长受外部折射率影响,所以作为折射率传感器得到了广泛的研究[5～7],但是

　*江苏省自然科学基金(BK2004207)和国家杰出青年科学基金(60125513)资助课题。

作者简介:恽斌峰(1979～),男,江苏常州人,东南大学电子工程系博士研究生,主要从事光纤光栅的传感应用技术研究。E-mail:ybf@http://wendang.chazidian.com

**通信联系人。E-mail:cyp@http://wendang.chazidian.com

收稿日期:2005-10-18;收到修改稿日期:2005-12-12

　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　　　学　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　26卷　

2　原　　理

光纤布拉格光栅包层模式的谐振波长由下式决定[14]:

FBGm=(neff+neffm)ΛFBG,λ

co

cl

因为包层模式的光谱半峰全宽为0.07nm,接近光谱仪的分辨力,所以采用基于可调谐激光器的光波测试系统(Agilent8164A)进行折射率传感,实

验装置如图2所示。实验中,随着外界折射率的增大,光纤包层折射率和外界折射率之间的差越来越小,从而导致光纤布拉格光栅中的一些高阶包层模转变为辐射模而消失。而残留的包层模随着外界折射率和光纤包层折射率差的减小,使越来越多的光能量耦合到外界,从而随着外界折射率的增大,光纤布拉格光栅存在的包层模数越来越少,包层模的透射损耗略有增大,而包层模的带宽基本不变

。

(1)

co

FBGm是第m阶包层模式的谐振波长,neff和其中λnclFBGm分别是纤芯模式的有效折射率和第m阶包层

模式的有效折射率,ΛFBG是光纤布拉格光栅的折射率调制周期。根据光纤三层模型的光纤布拉格光栅包层模式分析和有限包层光纤布拉格光栅的理

co

论分析[16]可知,ncleffm和neff都随外界折射率变化而变化,通过腐蚀光纤,包层的直径大大减小,包层模式受外界折射率的影响增强,从而增强了包层模式的谐振波长对外界折射率的灵敏度,通过测量包层模式谐振波长的偏移量,就可以实现高灵敏度的折射率传感。

[15]

3　实　　验

实验中采用倍频氩离子激光器和相位掩模板在型号为PS-RMS-30的非包层模抑制光敏光纤上刻制了光纤布拉格光栅,布拉格纤芯模式的谐振波长在1550.24nm,半峰全宽为0.3nm,同时存在上百个包层模式,包层模式的光谱半峰全宽约为0.07nm,是纤芯模式的1/4,但包层模的透射损耗比较小,约为1dB左右,通过腐蚀光纤布拉格光栅使光纤的包层直径减小,可以增强包层模光能量到外界的耦合,从而增强包层模式的损耗。首先将光纤布拉格光栅放在质量分数为40%的氢氟酸中腐蚀45min,包层直径减小到十几微米

[8]

图2折射率传感实验系统图

Fig.2Experimentalsetupofrefractiveindex

sensing

在保证第四阶包层模存在的前提下,通过采用不同浓度的丙三醇水溶液来改变外界折射率,通过测量不同外界折射率中第四阶包层模式的谐振波长偏移来进行折射率传感实验。第四阶包层模式谐振波长的偏移量随外界折射率的关系曲线如图3所示,从图中可以看出,随着外界折射率的增大,第四阶包层模式的谐振波长向长波长方向移动,且外界折射率越接近光纤包层折射率,包层模式的折射率灵敏度越大。从图4可以看出,在接近光纤包层折

。随着包层直径的减小,高阶

包层模式变成辐射模,光栅中的包层模式数也逐渐减少,实验得到腐蚀后包层模式的光谱图如图1所示,经腐蚀后只留下了七阶包层模,采用透射率最大的第四阶包层模进行折射率传感,它的透射损耗达到6.5dB,完全满足传感应用的要求。

图3第四阶包层模式谐振波长偏移量和外部

折射率的关系图

Fig.3Relationbetweentheresonancewavelengthshifts

图1腐蚀后光纤布拉格光栅的包层模式光谱图Fig.1SpectrumofcladdingmodesofFBGafteretchingandtheexternalrefractiveindexforthefourth　　　　　ordercladdingmode

7期　　　　　　　　　　　　恽斌峰等:　基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性　　　　　　　　　　　

射率范围内,第四阶包层模式有很高的折射率灵敏度,最大灵敏度达到172nm,大于文献[8]中实现的7.3nm和文献[9]中实现的71.2nm的折射率灵敏度

。

图4第4阶包层模式的折射率灵敏度图Fig.4Refractiveindexsensitivityofthefourthorder

claddingmode

4　结　　论

通过氢氟酸腐蚀光纤减小光纤包层直径来增大包层模式对外界折射率的敏感度,利用不同浓度的丙三醇水溶液来改变外界折射率,研究了腐蚀后包层模式的耦合波长对外部折射率的关系。与其他基于布拉格光栅的折射力传感技术相比,具有工艺简单,腐蚀后的光栅具有更好的机械强度,不易断裂以及光谱带宽小,分辨率高的优点。

参

考

文

献

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