基于傾斜布拉格光纖光柵的高靈敏度折射率傳感器

石 磊,劉云啟,宋紅亮, 鄒 芳,王廷云

光纖傳感器已經被廣泛地應用于生物測量、環境探測等領域.光纖傳感器具有很多優點,包括體積小、重量輕、在危險環境下操作安全、抗電磁干擾性強、具有較高的靈敏度[1-13].傾斜布拉格光纖光柵(tilted f i ber Bragg grating,TFBG)可以實現包層模與纖芯模的耦合,在布拉格反射峰短波方向會出現一系列的包層模損耗峰,而包層模對環境折射率敏感.TFBG包層模諧振峰的強度和波長位置對外界環境折射率均具有高敏感性的特點,因此受到了越來越多的關注和研究.Albert等[1]證明了TFBG可以用于高分辨率的折射率測量、表面等離子共振的應用以及多參量的物理探測(應變、振動、曲率和溫度).Laあont等[2]提出了一種根據光柵光譜的上下包絡曲線準確測量折射率的方法.Miao等[3]根據TFBG透射光譜的功率進行了折射率傳感測量.另外,基于細芯光纖的TFBG[4]或者TFBG與啁啾光纖光柵級聯[5]都可以實現反射式傳感測量.

本工作基于不同的光敏光纖制備了不同傾斜角度的TFBG,并通過實驗研究了TFBG的折射率特性.結果發現,隨著環境折射率的增加,高階包層模諧振峰會逐漸消失,且短波方向即將消失的高階包層模諧振峰(從短波方向開始,取第一個包層模透射峰的對比度與其前一個透射峰對比度相差較大的透射峰,例如,對比度差大于5 dB)的波長隨著環境折射率的增大而線性增大.

1 原理

與普通的光纖布拉格光柵(f i ber Bragg grating,FBG)不同,TFBG的光柵與纖芯的軸向存在一定的夾角θ,如圖1所示.相位匹配條件為

式中,n0為纖芯的有效折射率,Λ為沿纖芯方向柵格的周期,θ為柵面的傾斜角為沿纖芯方向的有效柵格周期,ni為第i階包層模的有效折射率.因此,在TFBG的透射譜中除了布拉格諧振峰外,還存在一系列位于布拉格諧振峰左側的包層模諧振峰.

圖1 TFBG光柵示意圖Fig.1 Schematic diagram of the TFBG

在單模光纖中,柵面與纖芯軸向存在的夾角加強了前向傳輸的纖芯模與后向傳輸的包層模的耦合,而減小了與后向傳輸的纖芯模的耦合.在這個條件下,包層模諧振峰的波長位置不僅與纖芯模的有效折射率有關,還與包層模有效折射率有關.包層模的有效折射率依賴于包層折射率和圍繞著包層外界介質的折射率,因此包層模對環境折射率敏感.當外界環境折射率接近導模的有效折射率時,導模的諧振峰首先會發生波長漂移,而當環境折射率達到有效折射率時,諧振峰就停止漂移,但對比度開始減小直至接近于0[1].因此,通過檢測包層模波長的變化可以探測環境的折射率.

2 實驗結果與討論

利用193 nm的ArF準分子激光器對Fibercore PS 1250/1500光纖(纖芯直徑8.9μm、包層直徑125μm、截止波長1 260 nm、硼鍺共摻光敏光纖)與Nufern GF1AA光纖(纖芯直徑8.5μm、包層直徑125μm、截止波長1 350 nm、高摻鍺光敏光纖)進行曝光.用Photon Kinetics公司生產的S14折射率分析儀測得Nufern GF1AA光纖的折射率分布,結果如圖2所示.采用相位掩膜法制備不同傾斜角的TFBG,其中相位掩模板的周期為1 071.93 nm,制備光柵的有效長度為1.5 cm.

圖2 GF1AA光纖折射率分布Fig.2 Refractive index distribution of GF1AA f i ber

采用波長分辨率為0.02 nm的AQ6370B光譜儀對TFBG的透射譜進行檢測.圖3為在GF1AA光纖和PS 1250/1500光纖上刻寫角度為2°的TFBG的透射譜.由圖3可以看出,在兩個透射譜中都有兩套包層模諧振峰.GF1AA光纖是一種抑制包層模的光敏光纖,在光纖的纖芯和包層之間多了一層抑制包層.在光柵傾斜時,GF1AA光纖的纖芯模和一個與LP11纖芯模具有相似模式分布的包層模發生強耦合,產生幻影模.因此,只有刻寫在GF1AA光纖上的TFBG透射譜出現了幻影模[6].另外,GF1AA光纖的TFBG的最大光柵對比度僅約為15 dB,而PS 1250/1500光纖可達到30 dB左右,這主要是因為PS 1250/1500光纖具有更高的光敏性.

圖3 兩種光敏光纖傾斜角為2°的TFBG的透射譜Fig.3 Transmission spectra of the TFBG with a tilt angle of 2°

傾斜布拉格光纖光柵的傾角越大,越容易激發短波方向的高階模.因此,隨著傾角的增大,短波方向高階模的耦合效率逐漸增大,而長波方向低階模的耦合效率越來越小[6].圖4為PS 1250/1500光纖傾斜角為2°,4°,6°和8°的TFBG的透射譜.從圖4可以看出:隨著角度的增加,低階包層模諧振峰逐漸消失,而高階包層模卻越來越明顯,最后布拉格諧振峰消失,而且光柵寫制效率會越來越低;光柵寫入傾斜角度增大時,其布拉格諧振波長會向長波方向漂移,因此其透射譜整體向長波方向漂移,但是透射譜中高對比度的透射峰卻越來越集中于短波區域.

圖4 PS 1250/1500光纖傾斜角不同時TFBG的透射譜Fig.4 Transmission spectra of the TFBG with diあerent tilt angles in the PS 1250/1500 f i ber

對刻寫在PS 1250/1500光纖上傾斜角不同的TFBG進行折射率傳感實驗,實驗中折射率匹配液的折射率η為1.337～1.474.當外界環境折射率到達或者超過包層模的有效折射率時,包層模不會繼續被傳導,隨之會轉換成連續的輻射模而消失.圖5為環境折射率不同時TFBG的透射譜的變化情況.由圖5可以看出,隨著外界環境折射率的逐漸增加,短波方向(對應高階包層模)包層模的對比度逐漸消減,這是因為高階包層模有著相對較低的有效折射率,從而首先轉換成輻射模.因此,當環境折射率增大時,高階包層模首先消失,繼續增加環境折射率,則更多的包層模消失,并且透射譜向長波方向漂移.另外,對于具有更大傾斜角的TFBG,在環境折射率較低時就有更高階包層模諧振峰消失,但與較高環境折射率對應的更低階包層模諧振峰卻不存在.因此,TFBG的傾斜角決定了折射率測量動態范圍的大小.

圖5刻寫在PS 1250/1500光纖上不同環境折射率下的TFBG透射譜Fig.5 Transmission spectra of the TFBG written in the PS 1250/1500 f i ber with diあerent SRI

圖6 為外界環境折射率變化過程中傾斜角不同時TFBG透射譜中短波方向將消失的包層模諧振峰的波長位置的變化.從圖6中可以看出,第一個沒有消失的包層模諧振峰的波長位置與外界環境折射率具有較好的線性關系,即隨著環境折射率的增加,短波方向即將消失的高階包層模諧振峰的波長位置是呈線性增加的.對于傾斜角分別為2°,4°,6°和8°的TFBG,所測得的折射率靈敏度分別為537,534,539和562 nm/RIU,所有的包層模諧振峰都消失時與之對應的外界環境折射率分別為1.474,1.457,1.438和1.398.對刻寫在GF1AA光纖上傾斜角不同的TFBG的折射率傳感特性進行實驗研究,得到了類似的實驗結果,其中對于傾斜角為4°的TFBG,測得的折射率靈敏度為554 nm/RIU.

圖6 短波方向消失的包層模諧振峰的波長與外界環境折射率的對應關系Fig.6 Dependence of the resonance wavelength of disappeared cladding modes at shorter wavelength on the SRI

普通TFBG的折射率靈敏度為2 nm/RIU,而基于等離子共振效應的鍍金膜TFBG的折射率靈敏度為454 nm/RIU[7].因此,TFBG的包層模波長漂移可以用來進行環境折射率的測量.且可以取得較高的折射率靈敏度,約為普通TFBG波長測量方法的265倍,并且相對于鍍金膜的TFBG,本工作提出的方法更簡單,成本更低.

3 結束語

本工作對TFBG的折射率傳感特性進行了實驗性研究,提出了一種高靈敏度的折射率測量方法,即通過測量即將消失的高階包層模諧振峰的波長來實現環境折射率的測量,且該方法的折射率靈敏度可達530 nm/RIU以上.另外,通過選擇適當的光柵傾斜角度,還可以對其折射率測量的動態范圍進行調節.

[1]ALBERT J,SHAO L Y,CAUCHETEUR C.Tilted f i ber Bragg grating sensors[J].Laser&Photonics Reviews,2013,7(1):83-108.

[2]LAFFONT G,FERDINAND P.Tilted short-period f i bre-Bragg-grating-induced coupling to cladding modes for accurate refractometry[J].Measurement Science and Technology,2001,12(7):765-770.

[3]MIAO Y P,LIU B,ZHAO Q D.Refractive index sensor based on measuring the transmission power of tilted f i ber Bragg grating[J].Optical Fiber Technology,2009,15(3):233-236.

[4]ZHANG X P,PENG W,LIU Y,et al.Core-cladding mode recoupling based f i ber optic refractive index sensor[J].Optics Communications,2013,294(5):188-191.

[5]ZHENG J,DONG X Y,JI J H,et al.Power-referenced refractometer with tilted f i ber Bragg grating cascaded by chirped grating[J].Optics Communications,2014,312(4):106-109.

[6]DONG L,ORTEGA B,REEkIE L.Coupling characteristics of cladding modes in tilted optical if ber Bragg gratings[J].Applied Optics,1998,37(22):5099-5105.

[7]SHEVCHENkO Y Y,ALBERT J.Plasmon resonances in gold-coated tilted f i ber Bragg gratings[J].Optics Letters,2007,32(3):211-213.

[8]IADICICCO A,CUSANO A,CAMPOPIANO S,et al.Thinned f i ber Bragg gratings as refractive index sensors[J].IEEE Sensors Journal,2005,5(6):1288-1295.

[9]JIANG Q,HU D B,YANG M.Simultaneous measurement of liquid level and surrounding refractive index using tilted f i ber Bragg grating[J].Sensors and Actuators A:Physical,2011,170(1/2):62-65.

[10]GUO T,TAM H Y,KRUG P A,et al.Ref l ective tilted f i ber Bragg grating refractometer based on strong cladding to core recoupling[J].Optics Express,2009,17(7):5736-5742.

[11]DONG X Y,ZHANG H,LIU B,et al.Tilted f i ber Bragg gratings:principle and sensing applications[J].Photonic Sensors,2011,1(1):6-30.

[12]KHALIQ S,JAMES S W,TATAM R P.Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating[J].Optics Letters,2001,26(16):1224-1226.

[13]ZHOU B,ZHANG P,HE S L,et al.Cladding-mode-recoupling-based tilted f i ber Bragg grating sensor with a core-diameter-mismatched f i ber section[J].IEEE Photonics Journal,2010,2(2):152-157.