長(zhǎng)周期光纖光柵折射率傳感的研究概況

personaluseonlyandfor長(zhǎng)周期光光柵折射率感的研究概況李杰（作者單：廈門大學(xué)子工程）一引言由光柵周期的不同纖柵可分為布喇格光纖光長(zhǎng)周期光纖光FBG的周期約為幾百納米主要特性是將某一頻段的反射回去成以諧振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器的期通常為幾十到幾百微米，主要特性是將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到光纖包層中損耗掉，是一種透射型光纖器件LPG于溫度、應(yīng)力、外界折射率等參數(shù)的變化都有很高的響應(yīng)靈敏度，研究表明LPG于溫度的調(diào)協(xié)范圍約為FBG的倍而對(duì)于外界折射率變化時(shí)的諧振峰中心波長(zhǎng)移動(dòng)量也明顯高于布喇格光柵。由光纖場(chǎng)分布形式可知，光纖對(duì)于包層模的束縛性較芯模為弱階模的束縛性較低階模弱就說當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)包模式傳播常數(shù)有效折射率等參數(shù)的變化要大于芯模階模式各參數(shù)的變化大于低階模式。相位匹配條件的變化將會(huì)引起耦合諧振峰中心波長(zhǎng)位置的改變，F(xiàn)BG的諧振峰是由前向芯模和后向芯模耦合而成周期光柵的諧振峰是由前向芯模和同向包層模耦合而成此周期光纖光對(duì)于環(huán)境參數(shù)的敏感性要高于一般的光纖光柵光纖傳感測(cè)量方面具有很高的實(shí)用價(jià)值。本文將針對(duì)LPG感特性好這一優(yōu)點(diǎn)紹LPG做為光纖傳感測(cè)量的一些基本原，詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)將其應(yīng)用于外部折射率測(cè)量方面的研究情況一些規(guī)律性的結(jié)論。二．長(zhǎng)期光纖光柵理耦合性對(duì)于理想的均勻光纖波導(dǎo),芯及包層中存在的各階次模式相互正,不存在模式耦合據(jù)模式耦合理論,光纖中寫入光柵就破壞了光纖波導(dǎo)光學(xué)特性的一致產(chǎn)了介電擾動(dòng)(折射率指數(shù)的變化,稱折變)。種沿光纖縱向的周期性調(diào)(擾動(dòng))使各個(gè)模式在纖及包層中相互耦合從模式耦合機(jī)來,Bragg纖光柵是前向傳輸?shù)幕Ｅc后向傳輸?shù)囊浑A各次芯模之間的耦合而PG是向傳輸?shù)幕Ｅc同向的一階各次包層模式之間的耦合。長(zhǎng)周期光纖光柵耦合的相位匹配條件為：

co

cl

()

（）其中

、

cl

()

分別為光纖傳輸基模

HE

11

和包層模

HE

1

的傳播常數(shù)，為柵的周期。由于導(dǎo)模和包層模的傳播常數(shù)都是波長(zhǎng)的函,所在長(zhǎng)周期光纖光柵中,導(dǎo)?？梢院蛶讉€(gè)包層模在不同波長(zhǎng)處滿足相位匹配條,從而使得光波可以從導(dǎo)模被耦到幾個(gè)包層而耦合到包層模的功率將很快衰減掉。在寬帶光源入射的條件輸出光譜上將出現(xiàn)以相位匹配波長(zhǎng)又稱耦合波長(zhǎng)為中心的多個(gè)吸收峰。由上面的相匹配關(guān)系式可以推得耦合峰中心波長(zhǎng)的計(jì)算公式：

n)cl

（）

為

LPG

基模與包層模耦合時(shí)的諧振波長(zhǎng)n分別為基模和包層模的有效cl折射率。．射傳機(jī)長(zhǎng)周期光纖光柵用于傳感主要是以其耦合諧振峰中心波長(zhǎng)隨外界參數(shù)變化而移動(dòng)為基礎(chǔ)的可對(duì)光柵輸出帶來影響外界條件包括環(huán)境溫度力環(huán)折射率光柵彎曲,這些條件的改變可能引起纖芯和包層折射率以及纖芯和包層半徑的變,而對(duì)光纖中的傳輸模式(導(dǎo)模和包層模的傳播常數(shù)和模場(chǎng)分)來影響外條件的變化也可能改變光柵的周期。這些將導(dǎo)致導(dǎo)模和包層模之間耦合的相位匹配波長(zhǎng)及耦合系數(shù)的改,并最終表現(xiàn)為光柵吸收峰中心波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化。由諧振峰中心波長(zhǎng)計(jì)算式2）推得其移動(dòng)量隨外界折射率的變化關(guān)系式如下：

cl

(n)1dclexex

ex

（3

為外界折射率變化量為PG合諧振峰中心波長(zhǎng)的移動(dòng)量，其他參數(shù)與上同。的折射率傳感測(cè)量原理就是通過仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法找到中括號(hào)內(nèi)的折射率敏感系數(shù)，然后建立起外界折射率變化

與諧振峰中心波長(zhǎng)移動(dòng)量

的對(duì)應(yīng)關(guān)系。三．國(guó)外研究情況紹與結(jié)分析基于上述理論分析可知，當(dāng)外界折射率變化時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振峰中心波長(zhǎng)也隨之發(fā)生移動(dòng)而且包層模的階數(shù)高對(duì)界環(huán)境變化的靈敏度越高所應(yīng)的中心波長(zhǎng)移動(dòng)量也就越大過模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法可以得出在某條光柵周期層厚度，環(huán)境溫度等）下，外界折射率與光柵諧振峰中心波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系此應(yīng)關(guān)系，在未知環(huán)境中可通過觀察光柵諧峰中心波長(zhǎng)的移動(dòng)來確定該環(huán)境折射率的改變傳感測(cè)量的目的將要介紹和分析一下國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)關(guān)于基于LPG折率傳感方面的具有理論指導(dǎo)意義的一些研究情況。．諧峰心長(zhǎng)外折率化研華盛頓海軍研究實(shí)驗(yàn)室的HeatherJ.Patrick博士等人以及北方交大的童治等人都系統(tǒng)性得分析過環(huán)敷折射在較大范圍內(nèi)變化以及光柵周期的選擇對(duì)諧峰的影響。

圖1基LPG的外界折射率傳感測(cè)量原理圖所用光纖為標(biāo)準(zhǔn)的三層（纖芯、包層和外界環(huán)境）結(jié)構(gòu)，理論分析時(shí)對(duì)于外界折射率小于包層折射率（約為1.45）的況，采用弱導(dǎo)近似法結(jié)合包層模耦合方程進(jìn)行分析；對(duì)于外界折射率大于包層的情況，采用泄漏模理論進(jìn)行分析。并最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到LPG諧振峰中心波長(zhǎng)隨外界折射率變化的關(guān)系（圖示）。圖2諧振峰中心波長(zhǎng)隨外界折射率的變化關(guān)系分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出LPG諧峰中心波長(zhǎng)隨外界折射率變化的一些基本規(guī)1當(dāng)外界折射率從變到1.44時(shí)諧振峰的中心波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，而且是一種非線性變化，折射率越高變化越明顯。（外折射率在到1.46間的一點(diǎn)變化時(shí)射譜上可以觀察到一個(gè)明顯的跳變。這是因?yàn)楣饫w包層的折射率約為，當(dāng)外界折射率近似等于包層折射率時(shí)，包層模發(fā)生截止，不能在光纖包層內(nèi)傳導(dǎo)，此時(shí)的耦合峰深度也明顯變淺，接近于零。（外折射率大于時(shí)包層模又重新與芯模發(fā)生耦合耦合峰出現(xiàn)在長(zhǎng)波長(zhǎng)處，且隨著外界折射率的增大向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，且耦合深度也明顯增加。（越階的模式諧振峰中心長(zhǎng)移動(dòng)越明顯低的模在整個(gè)折射率變化過程中基本保持不變。這些基本變化規(guī)律可以做為L(zhǎng)PG外折射率傳感測(cè)量研究的理論基礎(chǔ)。．聚物層周光光的究對(duì)于外界折射率大于包層折射率的情況，英國(guó)布萊克本大學(xué)電子工程系Zhiyong等人以及英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)光電子系N等人都做過很有價(jià)值的研究工作。采用SAM的化學(xué)沉積技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)裸光纖的包層外鍍上厚度約為幾十納,折射率大于包層的聚合物如圖3（過變聚合物的厚度到00納米和折射率（1.5到.8)，用光譜儀觀測(cè)PG諧振峰相應(yīng)的變化系。(a)(b)圖聚合物層LPG結(jié)示圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面文章中提到的HeatherJ.Patrick博士等人的研究結(jié)果基本一致。只是當(dāng)聚合物的厚度較小時(shí)界射率的增大將影響諧振峰中心波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)是因?yàn)榉髮雍穸忍r(shí)，光纖將被看成一種四層結(jié)構(gòu)，如圖（b所示，影響包層模場(chǎng)分布和傳播常數(shù)的因素將是聚合物層和最外界空氣層的疊加效應(yīng)層介質(zhì)施加在包層模上的平均折射率是小于包層的以該平均折射率在小于包層的范圍內(nèi)增大時(shí)心長(zhǎng)將仍

然向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。這種方案通過選擇適當(dāng)?shù)姆髮硬牧虾桶鼘幽Ｊ搅艘粋€(gè)有效的理論依據(jù)作為折射率/厚度傳感或者波長(zhǎng)調(diào)諧器件的計(jì)。．化溶濃的量對(duì)于外界折射率小于包層折射率的情況，較為典型的研究就是將應(yīng)用化學(xué)溶液濃度的測(cè)量上面來。HeatherJ.Patrick士等人也做過類似的關(guān)于防凍劑溶液測(cè)量研究，我們這里將要介紹的是國(guó)內(nèi)燕山大學(xué)的李志全等人一些的研究成。們提出一種LPG用于化學(xué)溶液傳感的實(shí)驗(yàn)方案，系統(tǒng)配置如:溫下，兩個(gè)中心波長(zhǎng)為1300納米1500納米的LED構(gòu)一對(duì)寬帶光源,經(jīng)寬帶耦合器耦合輸入光,纖中光柵由夾持件固定于一塊鋁板上以避免彎曲、應(yīng)變的影,浸入濃度可調(diào)的蔗糖溶液，用光譜分析儀分析長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜特性（如圖4所）。圖用PG測(cè)溶液折射率及濃度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖實(shí)驗(yàn)中將長(zhǎng)周期光纖光柵浸入蔗糖溶液,溶液度變化時(shí)導(dǎo)致折射率變化,使柵譜特性出現(xiàn)諧振雙峰分離,通過測(cè)量振雙峰分離的寬便可獲得相應(yīng)光柵外部溶液的折射,從而獲得蔗糖溶液的濃度。這種傳感器可以較大范圍測(cè)量溶液的濃,而且敏感程度相當(dāng)高。．金敷長(zhǎng)期纖柵研在LPG外折射率傳感領(lǐng)域的些學(xué)者如北方交大的魏淮等人和上海交大的張自嘉等人還曾系統(tǒng)性的研究過外界敷層為金屬介質(zhì)（折射率為復(fù)數(shù)）的情況。金屬的復(fù)數(shù)折射率所帶來的影響有兩個(gè)方:一是造成模式的傳播常數(shù)為復(fù),而使得該模式具有損耗特性。另一方面是使傳播常數(shù)的實(shí)部也發(fā)生偏,偏移。

從而使光柵的諧振峰發(fā)生長(zhǎng)周期光纖光柵在沉積金屬包層諧振波長(zhǎng)的偏移量由于金屬?gòu)?fù)數(shù)折射率虛部的存在而比具有相同折射率實(shí)部的介質(zhì)偏移量更大，可做波長(zhǎng)調(diào)諧器件。對(duì)低階包層,諧振波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波方向偏,模次增加,偏會(huì)增大；對(duì)高階包層諧振波長(zhǎng)向短波方向偏移。不同金屬包層諧振波長(zhǎng)的偏移量也一定差別。研究結(jié)果對(duì)于分析其它具有復(fù)數(shù)折射率的情況如金屬外涂層光,帶有增益介質(zhì)虛部為負(fù)的纖放大器,以及帶有損耗質(zhì)層的傳感器具有指導(dǎo)意義。四結(jié)語(yǔ)本文在簡(jiǎn)要介紹長(zhǎng)周期光纖光）工作原理的基礎(chǔ)上，綜述性闡述和分析了國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)基于的界折射率傳感測(cè)量的究情況，并總結(jié)了一些具有指導(dǎo)意義的結(jié)論和規(guī)律，有益于LPG傳器的實(shí)用化研究。目前外專家提出了一種新的基于外界折射率變化調(diào)協(xié)諧波的研究方案，該方案將LPG用于生物醫(yī)藥檢測(cè)方面過刻有光纖包層外涂敷待檢測(cè)的生物活性物質(zhì)與匹配液發(fā)生化學(xué)反后活性物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與折射率將發(fā)生改變感光纖內(nèi)刻光柵的諧振波長(zhǎng)的變化，達(dá)到檢測(cè)的目的。這種研究方案將成為基于LPG的傳感領(lǐng)域

一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

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