镀膜长周期光纤光栅的单峰宽带滤波特性

镀膜长周期光纤光栅(LPFG)工作于相位匹配转折点时纤芯模与高次包层模的耦合产生单个宽带损耗峰,其3 dB带宽取决于纤芯模和包层模之间的色散差、光栅长度以及中心波长.研究表明,薄膜折射率和厚度的变化将影响纤芯模与包层模之间的色散差,从而影响损耗峰的3 dB带宽,同时损耗峰中心波长亦随之移动.薄膜折射率为1.57,厚度为350 nm时,损耗峰带宽可达302 nm.减小光栅长度在保证中心波长损耗大于6 dB的前提下可使损耗峰3 dB带宽增大至334 nm.进一步研究表明,在均匀LPFG中偏离光栅中点的适当位置引入单个π相移可以使带宽增大至372 nm以上.     

镀膜相移长周期光纤光栅滤波特性

镀膜相移长周期光纤光栅(PS-LPFG)由于其结构及设计的灵活性可以改善光纤光栅的滤波特性。运用传输矩阵法,讨论了在镀膜PS-LPFG中不同位置引入单个相移、多个π相移时传输谱的滤波特性。研究发现,引入单个π相移时,会在谐振波长两侧出现两个新的阻带;引入多个π相移时,两个主阻带峰间隔随相移个数的增多而增大。进一步研究表明,薄膜厚度可以更灵活地调节镀膜PS-LPFG传输谱损耗峰的位置及损耗峰大小。随着薄膜厚度的增加,两损耗峰的位置向短波长方向移动,当薄膜厚度增大到一定值后,损耗峰位置向长波方向发生较大突变,同时损耗峰峰值急剧减小,随后损耗峰又将向短波方向移动且峰值逐渐增大。波长较大的损耗峰变化滞后于波长较小的损耗峰。     

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。     

基于近PMTP区域双峰谐振效应的长周期光纤光栅应变传感理论分析

利用长周期光纤光栅(LPFG)的双峰谐振效应,结合LPFG传感器工作于近相位匹配转折点(PMTP)附近的高灵敏度,提出了一种新型的长周期光纤光栅应变传感器的设计方法。利用LPFG相位匹配条件,分析了长周期光纤光栅近PMTP附近的双峰谐振特性、应变传感特性,发现双峰波长间距对微小应变具有很高的响应度和线性度。进一步讨论了光栅结构参数和包层直径对双峰LPFG应变灵敏度的影响,发现光栅周期对该传感器的应变灵敏度、线性度和应变测量范围具有很大的影响;光栅长度对谐振峰高度和宽度有较大影响,直接关系到传感器寻峰精度;通过增大包层直径,可以进一步增大应变灵敏度。结果表明,通过选取适合的光栅结构参量和包层半径,该传感器应变灵敏度可比一般长周期光纤光栅应变传感器的应变灵敏度提高2个数量级。这为设计高应变灵敏度双峰谐振LPFG应变传感器提供了结构优化的理论支持。     

薄膜消光系数对镀膜长周期光纤光栅传输谱的影响

在长周期光纤光栅外镀折射率随环境变化而改变的敏感薄膜,其谐振波长随薄膜折射率的变化而改变。对无吸收薄膜,光栅耦合强度为π/2时,其传输谱中谐振波长对应的损耗峰峰值为零。镀复折射率薄膜的长周期光纤光栅,耦合强度为π/2时,损耗峰不为零,在谐振波长对薄膜折射率变化响应灵敏的区域,包层模传输常数的虚部较大,损耗峰幅值减小,甚至消失,不利于谐振波长的测量。通过求解镀复折射率薄膜长周期光纤光栅的耦合模方程,得到了损耗峰峰值的解析解。找到了损耗峰为零的条件。在此条件下设计光栅,可以有效地避免损耗峰减小带来的不利因素。     

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。     

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.     

双波长啁啾相移光纤光栅

理论研究并实验验证了一种含有两段π相移的啁啾相移光纤光栅.采用F矩阵对啁啾相移光纤光栅进行计算并分析了该光栅的谱特性.含有两段π相移的啁啾相移光纤光栅可以在普通啁啾光栅透射谱阻带中产生双波长透射峰,透射峰位置直接取决于光栅中π相移的位置,透射峰的线宽和透射峰的波长间隔没有关系,仅随着啁啾率的增大而增大.采用带相位掩模的逐点扫描法对含有两段π相移的双波长啁啾相移光栅进行了制作,获得波长间隔为8 nm的双波长透射谱的光栅器件.该光栅的消光比和3 dB谱线宽分别为20 dB和0.08 nm,实验结果和理论设计一致.     

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。     

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.     

长周期光纤光栅模式与耦合的研究

长周期光纤光栅是在光纤纤芯中沿轴向形成折射率周期性调制的带阻型光纤器件。与光纤布拉格光栅不同，它表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长的耦合。研究了纤芯基模、包层模式（HE1t/EH1t）及其有效折射率随波长的变化，研究了纤芯基模与包层模式（HE1t/EH1t）的耦合系数。研究表明，纤芯基模与一阶低次包层模式的有效折射率随波长增大而减小，纤芯基模与HE1t产生的耦合系数远大于与EH1t的耦合系数，并且包层模式次数较低时，耦合系数随次数的升高而增加。这与以前的研究结果有所不同。     

Widely tunable long-period fiber grating with nm-thick higher refractive index film overlay

By introducing a four-layer step-index waveguide modeling, the characteristics of long-period fiber grating (LPFG) with an nm-thick film overlay, which has higher refractive index than that of fiber cladding are investigated in detail. The influence of both the overlay thickness and refractive index on the tuning ability of LPFG is analyzed. The numerical results demonstrate that spectral response of LPFG is divided into three distinct regions as the overlay deposition increases and the shift of resonant wavelength is drastic in some special thickness range. In conjunction with higher-order cladding mode coupling and fiber cladding etching, the sensitivity of LPFG to the overlay refractive index is enhanced significantly and over 120 nm resonant wavelength tunable range is achieved.     

Filtering characteristics of film-coated long-period fiber gratings operating at the phase-matching turning point

We present novel filtering characteristics of film-coated long-period fiber gratings (LPFGs) operating at phase-matching turning point (PMTP). The 3 dB bandwidth of a single broadband dip depends greatly on the film refractive index and thickness. A π-phase-shift in the grating center produces two band-rejection peaks between which the separation reaches 375 nm. This separation increases with the number M (M > 1) of π-phase-shifts that divide the LPFG uniformly. The central loss is constant at zero for odd M, whereas decreases with M for even M. Increasing film thickness and refractive index result in blue shifts of the dual peaks and enlarge the separations, which exhibits excellent tunabilities.     

材料色散对LPFG双峰谐振效应特性的影响

采用严格的耦合理论,研究了长周期光纤光栅各层材料色散对双峰谐振效应的影响,指出芯层和包层材料色散必须同时考虑才能切实地符合实际情况.分析了材料色散对不同膜层参数下双峰谐振LPFG透射特性的影响,模拟计算了材料色散计及与否时的双峰谐振波长,两种情形下两峰偏差值分别约在1.5—2 nm和6.5—7.5 nm浮动.最后,讨论了材料色散对双峰LPFG传感器灵敏度的影响.结果表明,此类传感器对膜层折射率的分辩率高达10^-8,计及材料色散后的等高线图可为传感器灵敏度设计提供精确的参数选择组合. 关键词： 材料色散 长周期光纤光栅 双峰谐振     

单端面长周期光栅透射模式测量技术

为了实现长周期光栅透射谱测量模式的远距离监测,设计了单端面镀反射膜的测量装置系统,对单端面镀银膜长周期光栅的传感原理做了分析,并从实验的角度分别对单端面镀银膜模式系统和直接透射模式系统的长周期光栅在不同折射率的环境介质中的响应进行了研究,比较了它们的异同。首先,采用2×2单模光纤耦合器分别连接光谱分析仪、光源、长周期光栅。然后,在包含长周期光栅的光纤的另一个端面制备反射银膜。最后,通过测量一系列不同折射率的环境介质,比较了直接透射模式与单端面镀银膜模式下的长周期光栅的响应光谱。实验结果表明:采用波长解调表达时,对于同一种环境介质,两种模式下长周期光栅的响应光谱的谐振波长基本相同;采用功率/峰值解调表达时,随着甘油浓度从水变为80%的甘油溶液,直接透射模式下的光损耗从-6.05 d B变为-9.22 d B,单端面镀银膜模式下的光损耗从-8.03 d B变为-11.33d B。与直接透射模式相比,单端面镀银膜的长周期光栅光谱中的相对光损耗明显增加,谐振峰更尖锐,更有利于谐振波长和谐振峰光损耗值的识别。本研究设计的单端面镀银膜的长周期光栅测量系统不仅保留了长周期光栅透射谱的感应模式,而且使长周期光栅在对环境介质的测量中操作更加灵活方便,尤其是在远距离、恶劣环境或深层液体的折射率测量中具有独特的优势。     

Theoretical Research on Sensitivity for Resonance Wavelength of Long Period Fiber Grating

In a long period fiber grating(LPFG), the forward-propagating guided mode in the core is coupled to a number of co-propagating lossy cladding modes at resonance wavelengths. Sensitivity of resonance wavelength against temperature, axial strain, and external refractive index is modeled in this paper. Schemes for temperature compensation and enhanced wavelength tuning of LPFG are proposed and analyzed. Experiments show accordant results with simulations. Temperature coefficient of the LPFG compensated by means of axial strain is below 1.8 nm/100℃. For the LPFG with polymer recoating layer, the enhanced tuning range is more than 70 nm.     

Theoretical Research on Sensitivity for Resonance Wavelength of Long Period Fiber Grating

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ａｌｏｎｇｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇ (ＬＰＦＧ)ｉｓａｎｏｖｅｌｐａｓｓｉｖｅｆｉｂｅｒｅｌｅｍｅｎｔａｒｉｓｉｎｇｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ[1] .ＳｅｖｅｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＬＰＦＧｈａｖｅｂｅｅｎｆｏｕｎｄ ,ｓｕｃｈａｓ ｇａｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅｆｌａｔｔｅｎｅｄｆｉｌｔｅｒ,ｂａｎｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒ,ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ,ｓｔｒａｉｎｏｒｎｅｗｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｓ[2 ,3] .ＩｔｃａｎｂｅＵＶ ｗｒｉｔｔｅｎｏｒ…     

镀有SiO_2-WO_3薄膜LPFG折射率传感特性研究

采用四层阶跃折射率几何模型,研究了镀有SiO2-WO3薄膜LPFG在溶液折射率测量方面的特性,并与未镀膜情况进行了比较。当LPFG包层外镀膜后,测量纯水、CaCl2溶液(浓度为450gL-1,折射率为1.4056)时波长漂移量分别是未镀膜时的1.67和2.55倍;谐振峰的损耗变化分别是未镀膜时的4.44和2.82倍;在1.36-1.38折射率范围内,传感器的灵敏度和分辨率分别是216.58nm和0.82×10-5,是镀膜前的3.27和0.30倍,说明镀膜后LPFG对溶液折射率测量的灵敏度和分辨率得到了很大的提高。     

长周期光纤光栅耦合常数的研究

长周期光纤光栅表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长时的模式耦合。由纤芯基模、一阶包层模式的场分布推得其功率分布 ,进一步得到两种模式的归一化常量。推导了纤芯基模与一阶各次包层模式 (HE1l/EH1l)的耦合常数。结果表明 ,纤芯基模与HE1l包层模式产生的耦合常数远大于与EH1l包层模式的耦合常数。次数低时 ,耦合常数随包层模式次数的升高而增大