长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使优化的长周期光纤光栅具有实用性,谐振波长设计在1.55 μm的常规波长范围,经过多次摸拟实验,提出最佳优化参量为：Λ=380 μm,rcl=17 μm,对环境介质折射率从1.26~1.38不同值的实验测试,折射率传感灵敏度达到0.000 12,长周期光纤光栅的结构优化获得理想的预期效果.     

长周期光纤光栅的折射率敏感特性

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性,给出了LPFG 的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式.对 LPFG 的折射率传感特性进行了数值模拟.结果表明:在光栅周期不变的情况下,当包层折射率小于且接近外界环境折射率时,波长的漂移量增大,且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小,波长漂移量越大,即 LPFG 对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高;当外界环境折射率大于包层折射率时,光栅的谐振波长将近似不变.     

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1～1.30范围内包层半径为20.75 μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.     

光纤参数对长周期光纤光栅谐振波长的影响

从光栅周期、折射率调制深度、包层半径和芯层半径对长周期光纤光栅的谐振波长的影响进行了研究。这些结果对于选择合适的光纤合理设计光栅周期以增加其敏感性具有一定的意义。     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析（英文）

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1~1.30范围内包层半径为20.75μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.     

高频CO2激光脉冲写入超长周期光纤光栅特性研究

分析了高频CO₂激光脉冲写入的周期达数毫米的超长周期光纤光栅(ULPFG)的模式耦合特性，并在此基础上，简单分析了这种折射率变化主要在光纤包层，且沿光纤横截面呈非对称分布的ULPFG所具有的温度、应变、扭曲及环境折射率响应特性，并在文末做了实验验证，实验结果表明该ULPFG不同谐振峰具有不同的特性响应灵敏度，这与理论分析符合得较好.这些独特的光学特性将使得这种光纤光栅在光纤通信和光纤传感中具有应用价值. 关键词： 光纤传感 光纤光栅 2激光')" href="#">CO₂激光 超长周期光纤光栅     

不同包层直径的倾斜光纤光栅折射率传感特性

倾斜光纤光栅的透射谱中有纤芯模和大量的包层模,它们具有与布拉格光栅相同的温度特性.利用HF酸腐蚀的方法得到具有不同包层直径的倾斜光纤光栅,研究了其对外界折射率的传感特性.结果表明,外界环境折射率在1.333～1.4532之间变化时,同一直径倾斜光纤光栅的高阶包层模的敏感性要比低阶包层模强;随着包层直径的减小,包层模的敏感性增强,且在折射率比较高的环境中有更高的敏感性.因此,利用倾斜光纤光栅的温度特性不仅可以解决温度交叉敏感问题,而且通过小同的腐蚀程度能定制所需要的灵敏度,以实现对环境折射率的高灵敏度测量.该办法可应用于对生物和化学等高灵敏度传感领域的各种溶液进行实时监控.     

高频CO2激光脉冲写入超长周期光纤光栅特性研究

分析了高频CO2激光脉冲写入的周期达数毫米的超长周期光纤光栅(ULPFG)的模式耦合特性,并在此基础上,简单分析了这种折射率变化主要在光纤包层,且沿光纤横截面呈非对称分布的ULPFG所具有的温度、应变、扭曲及环境折射率响应特性,并在文末做了实验验证,实验结果表明该ULPFG不同谐振峰具有不同的特性响应灵敏度,这与理论分析符合得较好.这些独特的光学特性将使得这种光纤光栅在光纤通信和光纤传感中具有应用价值.     

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。     

Optimal design of temperature-insensitive long period fiber gratings for athermal refractive-index sensor

Based on coupled-mode theory of long-period fiber grating (LPFG), a theoretical analysis and simulations for the optimal design of a temperature-insensitive LPFG is presented in order to achieve an athermal condition for sensing the refractive index of the external medium. Effects of the variation of the cladding radius and grating period on the temperature sensitivity of the LPFG are discussed. Both of these parameters are found to be important to control the temperature sensitivity when the thermo-optic coefficients of core and cladding materials are of the same order. Other grating parameters are also optimized in order to achieve a good contrast of the grating period with resonance wavelength in the 1.5 μm region and to sense the external medium refractive index over a wide range. Variation of external medium refractive index from 1.0 to 1.45 results a red-shift in the LPFG resonance wavelength by 86 nm with its temperature sensitivity as low as 0.008 nm/°C over a temperature range of 0–80 °C for this optimally designed LPFG.     

Design of a coated thinly clad chalcogenide long-period fiber grating refractive index sensor based on dual-peak resonance near the phase matching turning point

A novel method for designing chalcogenide long-period fiber grating (LPFG) sensors based on the dual-peak resonance effect of the LPFG near the phase matching turning point (PMTP) is presented. Refractive index sensing in a high-refractive-index chalcogenide fiber is achieved with a coated thinly clad film. The dual-peak resonant characteristics near the PMTP and the refractive index sensing properties of the LPFG are analyzed first by the phase-matching condition of the LPFG. The effects of film parameters and cladding radius on the sensitivity of refractive index sensing are further discussed. The sensor is optimized by selecting the appropriate film parameters and cladding radius. Simulation results show that the ambient refractive index sensitivity of a dual-peak coated thinly clad chalcogenide LPFG at the PMTP can be 2400 nm/RIU, which is significantly higher than that of non-optimized gratings. It has great application potential in the field of chemical sensing and biosensors.     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

啁啾长周期光纤光栅的超宽带滤波特性及其切趾优化

基于光纤光栅的模式耦合理论,采用传输矩阵法对啁啾长周期光纤光栅(LPFG)的超宽带滤波特性进行了分析。研究表明当啁啾LPFG的纤芯模同时与同向传输的多个阶次的包层模发生耦合,且与多个不同阶次包层模对应的谐振峰交叠时,其传输谱带宽可扩展到500nm以上,可用做超宽带带阻滤波器。传输谱带宽随模式序数、啁啾系数、光栅长度、周期和折射率调制量的增加单调递增,但随光纤包层半径的增大单调递减。采用高斯折射率切趾技术抑制了传输谱旁瓣,为设计超宽带滤波器提供了新的方法。     

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     

新型长周期光纤光栅的设计与研制进展

长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG)是一种宽带的透射型无源光子器件,在光纤通信和光纤传感领域应用广泛.本文从折射率空间调制的角度,根据栅格周期长短、折射率调制深度和栅面法线取向三个特征参数,对LPFG进行了分类并分析了其不足,定义了新型长周期光纤光栅(novel long-period fiber grating,NLPFG)概念并指出了其研究意义;阐述了典型的LPFG写制新技术,建立了NLPFG模型和设计理论;提出了NLPFG正、反向设计流程,阐述了NLPFG典型设计方法;综述了近年来NLPFG的研制及典型应用,展望了NLPFG研究的发展趋势.     

用双周期光纤光栅实现温度和应变的同时测量

介绍了光纤光栅传感器的一般原理，分析了长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的应变和温度响应机理。结果表明，长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关，还依赖于包层参数。在同一根光纤上先后写入长周期光纤光栅、Bragg光纤光栅，利用长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅基模与包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同，实现应变和温度的同时测量。     

Enhancement of sensitivity in long-period fiber gratings with deposition of low-refractive-index materials

It was proved [Opt. Lett. 30, 720 (2005)] that the deposition of an overlay of higher refractive index than that of the cladding on a long-period fiber grating (LPFG) causes large shifts in the attenuation bands induced by the grating. The result is an enhancement of the sensitivity of the LPFG to variations in the ambient and overlay refractive indices or the overlay thickness. The limitation of the previous design to materials with higher refractive indices than that of the cladding of the LPFG is overcome with a five-layer model. To this purpose, a first overlay of higher refractive index than that of the cladding of the LPFG will enhance the sensitivity of the device to variations in the refractive index of a second overlay of lower refractive index than that of the cladding of the LPFG. Moreover, it is proved that, if the second overlay is thick enough, its behavior resembles that of an infinite layer.     

长周期光纤光栅弯曲传感特性

基于耦合模理论和微扰近似,研究了长周期光纤光栅(LPFG)弯曲传感特性与弯曲曲率及光栅结构参数(光栅长度和栅格周期)之间的关系.当弯曲曲率增大到某一值时,一个透射峰分裂为两个,两个分裂峰的谐振波长与弯曲曲率的变化关系呈二次曲线关系,与栅格周期成反比变化,而与光栅长度基本无关.利用B-Ge共掺单模光纤制作的LPFG证实了理论的正确性,且具有很好的重复性.