长周期光纤光栅折射率传感的研究概况

personaluseonlyandfor长周期光光栅折射率感的研究概况李杰（作者单：厦门大学子工程）一引言由光栅周期的不同纤栅可分为布喇格光纤光长周期光纤光FBG的周期约为几百纳米主要特性是将某一频段的反射回去成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器的期通常为几十到几百微米，主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件LPG于温度、应力、外界折射率等参数的变化都有很高的响应灵敏度，研究表明LPG于温度的调协范围约为FBG的倍而对于外界折射率变化时的谐振峰中心波长移动量也明显高于布喇格光栅。由光纤场分布形式可知，光纤对于包层模的束缚性较芯模为弱阶模的束缚性较低阶模弱就说当环境参数发生变化时包模式传播常数有效折射率等参数的变化要大于芯模阶模式各参数的变化大于低阶模式。相位匹配条件的变化将会引起耦合谐振峰中心波长位置的改变，FBG的谐振峰是由前向芯模和后向芯模耦合而成周期光栅的谐振峰是由前向芯模和同向包层模耦合而成此周期光纤光对于环境参数的敏感性要高于一般的光纤光栅光纤传感测量方面具有很高的实用价值。本文将针对LPG感特性好这一优点绍LPG做为光纤传感测量的一些基本原，详细分析了国内外各研究机构将其应用于外部折射率测量方面的研究情况一些规律性的结论。二．长期光纤光栅理耦合性对于理想的均匀光纤波导,芯及包层中存在的各阶次模式相互正,不存在模式耦合据模式耦合理论,光纤中写入光栅就破坏了光纤波导光学特性的一致产了介电扰动(折射率指数的变化,称折变)。种沿光纤纵向的周期性调(扰动)使各个模式在纤及包层中相互耦合从模式耦合机来,Bragg纤光栅是前向传输的基模与后向传输的一阶各次芯模之间的耦合而PG是向传输的基模与同向的一阶各次包层模式之间的耦合。长周期光纤光栅耦合的相位匹配条件为：

co

cl

()

（）其中

、

cl

()

分别为光纤传输基模

HE

11

和包层模

HE

1

的传播常数，为栅的周期。由于导模和包层模的传播常数都是波长的函,所在长周期光纤光栅中,导模可以和几个包层模在不同波长处满足相位匹配条,从而使得光波可以从导模被耦到几个包层而耦合到包层模的功率将很快衰减掉。在宽带光源入射的条件输出光谱上将出现以相位匹配波长又称耦合波长为中心的多个吸收峰。由上面的相匹配关系式可以推得耦合峰中心波长的计算公式：

n)cl

（）

为

LPG

基模与包层模耦合时的谐振波长n分别为基模和包层模的有效cl折射率。．射传机长周期光纤光栅用于传感主要是以其耦合谐振峰中心波长随外界参数变化而移动为基础的可对光栅输出带来影响外界条件包括环境温度力环折射率光栅弯曲,这些条件的改变可能引起纤芯和包层折射率以及纤芯和包层半径的变,而对光纤中的传输模式(导模和包层模的传播常数和模场分)来影响外条件的变化也可能改变光栅的周期。这些将导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数的改,并最终表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。由谐振峰中心波长计算式2）推得其移动量随外界折射率的变化关系式如下：

cl

(n)1dclexex

ex

（3

为外界折射率变化量为PG合谐振峰中心波长的移动量，其他参数与上同。的折射率传感测量原理就是通过仿真计算和实验的方法找到中括号内的折射率敏感系数，然后建立起外界折射率变化

与谐振峰中心波长移动量

的对应关系。三．国外研究情况绍与结分析基于上述理论分析可知，当外界折射率变化时，长周期光纤光栅的谐振峰中心波长也随之发生移动而且包层模的阶数高对界环境变化的灵敏度越高所应的中心波长移动量也就越大过模拟计算和实验测量的方法可以得出在某条光栅周期层厚度，环境温度等）下，外界折射率与光栅谐振峰中心波长的对应关系此应关系，在未知环境中可通过观察光栅谐峰中心波长的移动来确定该环境折射率的改变传感测量的目的将要介绍和分析一下国内外各研究机构关于基于LPG折率传感方面的具有理论指导意义的一些研究情况。．谐峰心长外折率化研华盛顿海军研究实验室的HeatherJ.Patrick博士等人以及北方交大的童治等人都系统性得分析过环敷折射在较大范围内变化以及光栅周期的选择对谐峰的影响。

图1基LPG的外界折射率传感测量原理图所用光纤为标准的三层（纤芯、包层和外界环境）结构，理论分析时对于外界折射率小于包层折射率（约为1.45）的况，采用弱导近似法结合包层模耦合方程进行分析；对于外界折射率大于包层的情况，采用泄漏模理论进行分析。并最终通过实验验证，得到LPG谐振峰中心波长随外界折射率变化的关系（图示）。图2谐振峰中心波长随外界折射率的变化关系分析实验结果可以得出LPG谐峰中心波长随外界折射率变化的一些基本规1当外界折射率从变到1.44时谐振峰的中心波长向短波长方向移动，而且是一种非线性变化，折射率越高变化越明显。（外折射率在到1.46间的一点变化时射谱上可以观察到一个明显的跳变。这是因为光纤包层的折射率约为，当外界折射率近似等于包层折射率时，包层模发生截止，不能在光纤包层内传导，此时的耦合峰深度也明显变浅，接近于零。（外折射率大于时包层模又重新与芯模发生耦合耦合峰出现在长波长处，且随着外界折射率的增大向长波长移动，且耦合深度也明显增加。（越阶的模式谐振峰中心长移动越明显低的模在整个折射率变化过程中基本保持不变。这些基本变化规律可以做为LPG外折射率传感测量研究的理论基础。．聚物层周光光的究对于外界折射率大于包层折射率的情况，英国布莱克本大学电子工程系Zhiyong等人以及英国克兰菲尔德大学光电子系N等人都做过很有价值的研究工作。采用SAM的化学沉积技术在标准裸光纤的包层外镀上厚度约为几十纳,折射率大于包层的聚合物如图3（过变聚合物的厚度到00纳米和折射率（1.5到.8)，用光谱仪观测PG谐振峰相应的变化系。(a)(b)图聚合物层LPG结示图实验结果与前面文章中提到的HeatherJ.Patrick博士等人的研究结果基本一致。只是当聚合物的厚度较小时界射率的增大将影响谐振峰中心波长向短波长方向移动是因为敷层厚度太小时，光纤将被看成一种四层结构，如图（b所示，影响包层模场分布和传播常数的因素将是聚合物层和最外界空气层的叠加效应层介质施加在包层模上的平均折射率是小于包层的以该平均折射率在小于包层的范围内增大时心长将仍

然向短波长方向移动。这种方案通过选择适当的敷层材料和包层模式了一个有效的理论依据作为折射率/厚度传感或者波长调谐器件的计。．化溶浓的量对于外界折射率小于包层折射率的情况，较为典型的研究就是将应用化学溶液浓度的测量上面来。HeatherJ.Patrick士等人也做过类似的关于防冻剂溶液测量研究，我们这里将要介绍的是国内燕山大学的李志全等人一些的研究成。们提出一种LPG用于化学溶液传感的实验方案，系统配置如:温下，两个中心波长为1300纳米1500纳米的LED构一对宽带光源,经宽带耦合器耦合输入光,纤中光栅由夹持件固定于一块铝板上以避免弯曲、应变的影,浸入浓度可调的蔗糖溶液，用光谱分析仪分析长周期光纤光栅的透射谱特性（如图4所）。图用PG测溶液折射率及浓度的实验系统图实验中将长周期光纤光栅浸入蔗糖溶液,溶液度变化时导致折射率变化,使栅谱特性出现谐振双峰分离,通过测量振双峰分离的宽便可获得相应光栅外部溶液的折射,从而获得蔗糖溶液的浓度。这种传感器可以较大范围测量溶液的浓,而且敏感程度相当高。．金敷长期纤栅研在LPG外折射率传感领域的些学者如北方交大的魏淮等人和上海交大的张自嘉等人还曾系统性的研究过外界敷层为金属介质（折射率为复数）的情况。金属的复数折射率所带来的影响有两个方:一是造成模式的传播常数为复,而使得该模式具有损耗特性。另一方面是使传播常数的实部也发生偏,偏移。

从而使光栅的谐振峰发生长周期光纤光栅在沉积金属包层谐振波长的偏移量由于金属复数折射率虚部的存在而比具有相同折射率实部的介质偏移量更大，可做波长调谐器件。对低阶包层,谐振波长会向长波方向偏,模次增加,偏会增大；对高阶包层谐振波长向短波方向偏移。不同金属包层谐振波长的偏移量也一定差别。研究结果对于分析其它具有复数折射率的情况如金属外涂层光,带有增益介质虚部为负的纤放大器,以及带有损耗质层的传感器具有指导意义。四结语本文在简要介绍长周期光纤光）工作原理的基础上，综述性阐述和分析了国内外各研究机构基于的界折射率传感测量的究情况，并总结了一些具有指导意义的结论和规律，有益于LPG传器的实用化研究。目前外专家提出了一种新的基于外界折射率变化调协谐波的研究方案，该方案将LPG用于生物医药检测方面过刻有光纤包层外涂敷待检测的生物活性物质与匹配液发生化学反后活性物质的分子结构与折射率将发生改变感光纤内刻光栅的谐振波长的变化，达到检测的目的。这种研究方案将成为基于LPG的传感领域

一个新的研究热点。

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