Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析光纤光栅的耦合模时,发现了耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了将傅里叶变换和模式耦合融合在一起的Bragg光纤光栅反射谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换得到Bragg光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式耦合分析计算,从而得到Bragg光纤光栅的光谱特性.根据该理论,仿真分析了Bragg光纤光栅的谱特性,与耦合模理论、直接傅里叶变换法进行了对比分析.结果表明,傅里叶模式耦合理论与传统的耦合模理论及实际Bragg光纤光栅的光谱特性一致,具有简单、清晰、直接、精确和分析效率高的特点,可分析任意轴向折射率微扰分布的Bragg光纤光栅结构.     

长周期光纤光栅的理论分析及实验验证

采用简化的三层光纤模型,从模式理论和耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的耦合特性及功率透射谱,给出了长周期光栅的主要特性参数。利用计算机建模,采用Matlab软件对实用的SMF 28单模光纤加以特定的光栅折射率调制参数进行数值计算,并采用振幅掩模法刻写长周期光纤光栅进行实验验证,计算结果与实验结果相吻合。     

模式耦合理论在圆周对称长周期光纤光栅建模中的应用

长周期光纤光栅是不同于光纤Bragg光栅的一种光纤光栅器件 ,根据模式耦合理论 ,长周期光纤光栅表现为前向传播的纤芯导模和同向的各阶次包层模式之间的耦合。分析研究了长周期光纤光栅轴向的模场变化。忽略轴向的模式耦合以及包层模式之间的相互耦合作用 ,并认为折射率指数的调制只存在于纤芯中 ,建立了简化的长周期光纤光栅数学模型。对圆周对称轴向均匀型长周期光纤光栅谱特性进行了仿真 ,其结果与实验结果基本吻合 ,表明了简化的数学模型的合理性     

薄膜长周期光纤光栅透射谱的优化算法

通过对长周期光纤光栅模式耦合机理和长周期光纤光栅透射谱特点的详细分析,给出了仿真薄膜长周期光纤光栅透射谱的解决方案。该方案从大量的波长抽样点中选择那些对耦合有贡献的抽样点来计算,并且对每一抽样点只计算最有效的模次的耦合,可以在保证模拟的正确性的前提下最大限度地减少长周期光纤光栅透射谱仿真的计算量。以振幅掩模法（芯层折射率分布近似为矩形分布）写制的薄膜长周期光纤光栅进行了数值研究,研究中考虑了材料色散对导模和包层模式折射率的影响。研究结果表明,该方案能极大提高仿真速度。     

金属镀层两层膜系长周期光纤光栅谐振特性研究

采用严格的耦合模理论,建立了镀会属膜和敏感膜的两层膜系长周期光纤光栅复特征方程,用微扰法对复数超越特征方程进行求解.结果和文献[5]给出的数据相符.理论模拟数据表明.金属的消光系数对功率密度和透射谱影响很大.低阶偶次模式在纤芯内的功率密度所占比重远大于奇次模式,其衰减峰幅度也比奇次模高,因此,金属镀层长周期光纤光栅实际应用时,需要选择偶次模作为研究对象.进一步理论分析了金属和敏感膜层参数对长周期光纤光栅谐振特性的影响,研究发现,金属膜厚、敏感膜厚和折射率对谐振波长有较大的影响,谐振波长随金属膜厚、敏感膜厚和折射率的增大向短波方向漂移.在某些区域谐振波长存在跳变现象,长周期光纤光栅实际应用时应避开此区域.     

基于长周期光纤光栅的折射率与浓度传感方案的研究

采用简化的3层光纤模型，利用耦合模理论对长周期光纤光栅周围环境折射率、浓度敏感特性进行研究，并用计算机进行模拟及数值计算．得出长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境折射率及浓度的关系．实验证明测量结果与计算机模拟结果基本吻合。     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

长周期光纤光栅光谱特性仿真研究

基于耦合模理论,利用传输矩阵法求解出长周期光纤光栅(Long Period Fiber Gratings,LPFGs)的透射谱表达式,模拟分析了LPFGs的光谱特性与光栅参数如周期、刻写长度以及折射率调制深度之间的关系。研究结果表明:LPFGs谐振波长随着周期和折射率调制深度的增大向长波方向移动,且高次模谐振波长对光栅周期更为敏感;光谱带宽的变化主要取决于光栅的刻写长度,随着光栅刻写长度的增加,带宽逐渐变窄,且当光栅刻写长度大于5.2 cm时,光栅存在过耦合区域;随着折射率调制深度的增加,光栅存在不完全耦合、完全耦合和过耦合现象,且谐振损耗最大值位置随着折射率调制深度的增加逐渐向低次转移。该研究结论对长周期光纤光栅的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。     

基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测

研究了长周期光纤光栅(LPFG)谐振透射光谱对外界环境折射率变化的敏感特性,在此基础上提出了将混凝土内部钢筋周围环境折射率与LPFG光谱特性相结合的理论,设计了一种基于折射率测量的LPFG钢筋锈蚀监测传感器.采用LPFG透射光谱枪测技术,获取钢筋锈蚀过程中混凝土内部不同折射率环境所对应的LPFG透射光谱曲线族,进而得到...     

长周期光纤光栅检测混合油的折射率

为了检测柴油煤油混合油的折射率特性,利用耦合模理论分析长周期光纤光栅折射率传感特性,建立长周期光纤光栅中心波长、透射谱峰值损耗与混合油品中柴油含量的关系.结果表明:在混合油中,随着柴油含量的增加,长周期光纤光栅波长发生蓝移,当柴油含量达到使混合油折射率等于包层折射率时,中心波长漂移最大,柴油含量每改变1%,中心波长平均漂移0.622 7nm;柴油含量继续增加,混合油折射率大于包层折射率时,光栅中心波长基本保持不变,但是峰值损耗逐渐增大,带宽减小,之后柴油含量每增加1%,峰值损耗线性增加0.154 6dB.该方法在检测混合燃料各组分含量具有潜在的应用前景.     

全光纤干涉式结构中传感模式仿真分析

全光纤干涉式传感结构中包层模场与外界物理量作用,携带被感测信息,因此对包层模的研究是设计制作和提高该类传感器传感性能的关键.利用有限差分光束传播法获得传感光纤不同长度和不同芯径比时传感器对应的光谱,通过傅里叶变换获得其干涉频谱,计算出各主要参与干涉的包层模组的有效折射率,利用色散方程确定对应包层模.理论仿真结果显示,随着传感部分光纤长度增加,参与干涉的包层模式随之增加,并且向高阶模式变化,光谱变得稠密,是多阶包层模干涉的叠加,传感器输出干涉谱的自由光谱范围变小.随着输入光纤与传感光纤芯径比变化,会明显改变纤芯包层功率分布,同时,芯径比增大也会增加参与干涉的包层模种类和阶数.     

基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

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172 nm/riu(refractive index unit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07 nm)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。     

Optical microfiber mode interferometer for temperature-independent refractometric sensing

We report on a functional optical microfiber mode interferometer and its applications for absolute, temperature-insensitive refractive index sensing. A standard optical fiber was tapered down to 10 μm. The central part of the taper, i.e., the microfiber, is connected to the untapered regions with two identical abrupt transitions. The transmission spectrum of our device exhibited a sinusoidal pattern due to the beating between modes. In our interferometer the period of the pattern-an absolute parameter-depends strongly on the surrounding refractive index but it is insensitive to temperature changes. The period, hence the external index, can be accurately measured by taking the fast Fourier transform (FFT) of the detected interference pattern. The measuring refractive index range of the device here proposed goes from 1.33 to 1.428 and the maximum resolution is on the order of 3.7×10(-6).     

Fractional optical Hilbert transform using phase shifted fiber Bragg gratings

In this paper, we demonstrate that an arbitrary order (including both integer and fractional orders) Hilbert transform (HT) of an input optical waveform can be implemented by a simple and practical phase-shifted fiber Bragg grating (PSFBG) operated in reflection mode. The PSFBG consists of two concatenated identical uniform FBGs with a proper phase shift between them. It is proved that both the phase shift of the FBGs and the apodizing profile of the refractive index modulation determine the order of the transform. The simulation results show that the device can perform arbitrary fractional Hilbert transform (FHT) with excellent accuracy for input signals with up to hundreds of GHz bandwidth using feasible FBG structures.     

折射率调制矩阵的Bragg光栅光谱分布特性研究

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制,利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制,研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性,为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。系统结合耦合模理论与矩阵传输算法,当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时,即仍可应用耦合模理论计算,同时又可以将多段的耦合方程以正、反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。由此可知,虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式,但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性,同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算,就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组,再对其反射率分布场进行解析。最终,可以得到整个光纤光栅的等效正、反模式,即实现回波光谱分布的控制。由理论部分可知,回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、纤芯位置、分段数决定,可由(z)和k(z)表示。通过MATLAB仿真分析可知,两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。随着控制参数阶数的增大,反射率调制斜率也会增大;当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时,反射率调制符合单调特性。从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化,讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作,采用了四种折射率分段调制的FBG结构,分别是：①在m段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布;②在m/2段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布,其余段随机分布;③在m/2段中Λ₁和Λ₂随机分布,其余段也随机分布;④在整个光纤光栅段折射率随机分布。对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较,可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。实验结果显示：当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时,则与传统串联型均匀FBG测试效果一致,具有两个明显的Bragg特征峰;而矩阵组在m/2段中分布时,测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息,即存在两个Bragg特征峰,但峰峰值减小,噪声谱增大,半宽变窄。同时,相比交替模式而言,随机分布形式此种变化趋势更为明显。由此可见,通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、半宽及功率谱进行调制。该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下,可以对Bragg光谱分布进行精确控制,实现目标回波谱形的获取。     

Numerical analysis of plasmon polarition refractive index fiber sensors with hollow core and a long period grating

The main principle of this design is based on the efficient energy transfer between the waveguide mode (WM) and the co-directional SPP provided by a properly designed fiber long period grating (LPG). This LPG is imprinted into a waveguide fiber layer of a specially designed hollow core optical fiber. The simulations are based on the finite element method (FEM) algorithm in electromagnetics and coupled mode theory for gratings. Compared to the previous proposed structure using a fiber Bragg grating (FBG), this novel kind of sensor can greatly enhance the refractive index sensitivity, e.g., from 5.93 nm/RIU (with FBG) to 817 nm/RIU (with LPG) at the sensing refractive index of 1.40. The other advantage is that the working conditions can be performed for the well-developed telecom wavelength windows 1500-1600 nm.     

包层模谐振特种光纤及传感特性研究

研究了一种具有双包层结构的包层模谐振特种光纤,该特种光纤具有一个低折射率内包层,基于耦合模原理,纤芯模与包层模之间发生谐振耦合,从而获得具有带阻特性的传输光谱.系统介绍了包层模谐振光纤的制备、传输原理及其弯曲、溶液折射率、折射率/温度双参量等传感特性.实验和理论研究结果表明,包层模谐振特种光纤对于弯曲、溶液折射率参量具...     

Multiple fiber Bragg grating interrogation based on a spectrum-limited Fourier domain mode-locking fiber laser

A novel fiber Bragg grating (FBG) sensing system based on a spectrum-limited Fourier domain mode-locking (SL-FDML) fiber laser is proposed. Multiple FBGs cascaded in a long fiber are utilized as both the sensors in the system and the wavelength-selected components in the SL-FDML fiber laser. Both wavelength-division multiplexing and spatial-division multiplexing techniques are demonstrated for interrogation of multiple FBGs by mapping the wavelength measurement to the time measurement and by adjusting the driving frequency of the SL-FDML fiber laser. The proposed FBG sensing system, employing techniques of the wavelength- and spatial-domain interrogation of multiple FBGs, can be used in remote and quasi-distributed multipoint sensing.     

刻蚀光纤布拉格反射器特性的理论分析

从理论上研究了波导耦合型刻蚀光纤布拉格反射器的特性。采用正交模式耦合理论描述其中的光栅辅助正反向模式耦合，用非正交模式耦合理论描述输入输出接口的模式激发，给出了分析耦合波导布格瓣反射器的角析表达式，分析表明刻光张布拉格反应器中存在三种布拉格反应，在频谱中表现为六个分立的反射峰，与实验结果相符，其反射率不仅决定事系数，还与其结构参数，尤其是Ａｌ２Ｏ３层的厚度，Ａｌ２Ｏ３层与光纤芯的距离以及匹配层折射