單模-多模光柵-單模光纖傳感器的熱光系數(shù)溫度靈敏度?

楊東永 葛玉斌

（1.91550部隊(duì) 大連 116023）（2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所 北京 100015）

1 引言

簡(jiǎn)易的單模-多模-單模光纖（SMS）結(jié)構(gòu)是一種多模干涉器件［1～3］，可作為光纖濾波器［4］和溫度、應(yīng)變、彎曲和折射率傳感器［5～13］。基于SMS結(jié)構(gòu)的多參數(shù)傳感［10～13］由于具有多參數(shù)靈敏度，因此具有較好的應(yīng)用前景，并以光纖布拉格光柵（FBG）附近的光纖光柵作為溫度基準(zhǔn)，給出了應(yīng)用實(shí)例。然而，SMS結(jié)構(gòu)和光纖光柵的不同位置可能會(huì)引入測(cè)量誤差，尤其是不同位置處溫度變化較大時(shí)，誤差較大。為了避免這一問題，本文通過在SMS結(jié)構(gòu)的多模光柵部分寫入FBG，實(shí)現(xiàn)了單模-多模光柵-單模（FBG-in-SMS）結(jié)構(gòu)，用于多參數(shù)傳感。結(jié)合SMS光譜特性及光柵光譜，F(xiàn)BG-in-SMS可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度和應(yīng)變響應(yīng)的同時(shí)測(cè)量。本文介紹了FBG-in-SMS的綜合溫度傳感特性，詳細(xì)分析了SMS光譜區(qū)和FBG光譜區(qū)的溫度靈敏度。該結(jié)果對(duì)基于FBG-in-SMS的多參數(shù)光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2 FBG-in-SMS的溫度傳感模型

FBG-in-SMS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩個(gè)單模光纖之間熔接一段多模光纖，然后通過相位掩模法在多模光纖中寫入光柵，實(shí)現(xiàn)FBG-in-SMS。

當(dāng)光從FBG-in-SMS左側(cè)入射時(shí)，輸入單模光纖（SMF）將激勵(lì)多模光纖（MMF）中的多個(gè)模式。在MMF中激發(fā)的模式可以通過各個(gè)模式的激勵(lì)系數(shù)求出，激勵(lì)系數(shù)可以看作是能量從某一模式耦合進(jìn)特定模式的容易程度。激勵(lì)系數(shù)越大，光則越有可能耦合進(jìn)該模式，該模式越容易被激勵(lì)起來。仿真實(shí)驗(yàn)顯示，MMF和SMF的折射率分別為1.4655/1.4462和1.4544/1.45，芯徑和包層直徑分別為105/125μm 和 9/125μm。 當(dāng) 光 射 入 MMF 時(shí) ，只 有LP01-LP06模式的激勵(lì)系數(shù)較大。因此，在MMF中只考慮LP01-LP06六個(gè)模式。然后通過相位掩膜法將周期Λ=530.345 nm的1.0cm光纖光柵寫入4.6cm多模光纖中。LP01-LP06六個(gè)模式經(jīng)過干涉后耦合到輸出SMF。從輸出SMF可以直接測(cè)量單多模光纖光柵中的傳輸頻譜，如圖2所示。

圖1 FBG-in-SMS的結(jié)構(gòu)

圖2 FBG-in-SMS的傳輸頻譜

圖3 不同溫度FBG區(qū)域的傳輸頻譜

圖4 SMS紅移透射光譜圖

圖5 FBG區(qū)（標(biāo)有正方形和菱形的實(shí)線）和SMS區(qū)（標(biāo)有圓形的虛線）的溫度響應(yīng)曲線

在光纖光柵區(qū)形成的透射譜中，存在幾個(gè)傳輸波谷，這是FBG-in-SMS的干涉結(jié)果。當(dāng)溫度升高時(shí)，光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)和干涉光譜同時(shí)發(fā)生紅移，如圖3所示。光纖光柵區(qū)的溫度靈敏度取決于光纖光柵布拉格波長(zhǎng)在光纖中的漂移量，而漂移量進(jìn)一步取決于光纖的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。在SMS區(qū)，MMF中激發(fā)模的干擾引起單多模頻譜下降，并且傳輸譜 s(λ)可由下式表示［8］：

其中，s（0λ）是ASE光源的輸入光譜，ηi表示功率耦合系數(shù)。LP0i和LP0j模之間的相位差：

和透射譜漂移量隨溫度Δλ的變化可以表示為

其中，λ是SMS區(qū)透射譜的初始波谷，ηi和δηi分別表示LPoi，LPoj模式的有效折射率及其隨溫度的變化值，ΔLSMS表示SMS結(jié)構(gòu)的隨溫度變化的改變長(zhǎng)度，它取決于光纖的熱膨脹系數(shù)。隨著溫度的增大，ΔLSMS/LSMS大于零。然而，（δηi-δη）j（/ηi-η）j取決于熱光系數(shù)，其值可以大于或等于或小于零，這意味著在溫度增加時(shí)SMS透射譜的波谷可以紅移或藍(lán)移。當(dāng)纖芯和包層的熱光系數(shù)分別為8.6×10-6和3.0×10-6時(shí)，圖4給出了單多模區(qū)的紅移透射光譜圖。圖5顯示了FBG區(qū)（標(biāo)有正方形和菱形的實(shí)線）和SMS區(qū)（標(biāo)有圓形的虛線）的溫度響應(yīng)曲線。熱光系數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明FBG區(qū)的溫度靈敏度遠(yuǎn)高于SMS區(qū)。

3 結(jié)果與分析

通過以上分析，我們可以將FBG-in-SMS結(jié)構(gòu)應(yīng)用于多參數(shù)傳感。利用光纖光柵區(qū)和SMS區(qū)的透射譜可以測(cè)量環(huán)境溫度等參數(shù)。對(duì)于多參數(shù)互相作用導(dǎo)致的光譜漂移，可通過優(yōu)化傳感器，使其在FBG區(qū)域測(cè)量環(huán)境溫度，在SMS區(qū)域時(shí)作為溫度不敏感傳感器以檢測(cè)其它參數(shù)。通過優(yōu)化光纖的熱光系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)SMS區(qū)的溫度不敏感傳感。單多模光纖光柵傳感器的溫度靈敏度與纖芯的熱光系數(shù)αcore和包層的熱光系αclad包層的關(guān)系如圖6所示。光纖光柵區(qū)的溫度靈敏度主要取決于纖芯的熱光系數(shù)，通常大于10pm/°C。然而，在不同的熱光系數(shù)下，SMS區(qū)的光譜響應(yīng)可能是紅移或藍(lán)移。通過在光纖芯和包層中摻雜不同濃度的GeO2，并使用合適的包層材料［10］，可以選出最佳的光纖芯層和包層的熱光系數(shù)，設(shè)計(jì)出與溫度無關(guān)的多參數(shù)傳感器。

圖6 FBG-in-SMS的溫度靈敏度與纖芯的熱光系數(shù)αcore和包層的熱光系αclad的關(guān)系

4 結(jié)語

本文了提出了一種FBG-in-SMS結(jié)構(gòu)的多參數(shù)傳感器，并詳細(xì)分析了光纖的熱光系數(shù)對(duì)其溫度靈敏度的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的增加，光纖光柵區(qū)的光譜發(fā)生了紅移。然而，當(dāng)多模光纖的熱光系數(shù)不同時(shí)，在SMS區(qū)的透射譜中可以觀察到紅移或藍(lán)移，有利于優(yōu)化溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。