CO2激光脉冲边缘写入的长周期光栅折射率特性研究

报道了一种用高频CO2激光脉冲在普通通信光纤包层边缘单侧写入的新型长周期光纤光栅。研究发现,这种长周期光纤光栅的折射率变化主要发生在光纤包层区域,而纤芯的折射率变化较小;同时该光栅的附加损耗低于0.5 dB。进一步折射率特性实验研究表明,由于其特殊的折变结构,这种光栅具有较高的外界环境灵敏度,当外界折射率在1.41~1.45范围内变化时,其谐振波长漂移量高达15.52 nm,比实验测得的用传统方法写入的长周期光纤光栅谐振波长漂移量高出近3倍,这种光栅结构在光纤传感中将具有重要的应用。     

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.     

长周期光纤光栅结构参数与透射谱关系的仿真研究

利用光纤3层模型理论,通过仿真研究发现长周期光纤光栅结构参数与透射谱的变化有规律性关系,给出了一阶低次包层模与导模耦合时透射谱的变化规律。当长周期光纤光栅的纤芯、包层的半径和折射率增大时,谐振波向短波方向漂移;当长周期光纤光栅周期增大时,谐振波向长波方向漂移;当长周期光纤光栅长度增加时,谐振波没有漂移现象,但是其深度减小。通过综合分析发现:谐振波漂移方向比较明确,但是损耗峰深度的变化并没有明显的规律。     

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。     

薄膜参数对镀膜长周期光纤光栅透射谱的影响

基于四层光纤模型,采用数值模拟方法,研究了镀膜长周期光纤光栅的膜层折射率及厚度等参数对其传输谱特性的影响。结果表明,随膜厚增加,各包层模式有效折射率增大,谐振波长向短波区漂移。当膜厚达到一定数值后,有效折射率及谐振波长急剧变化,长周期光纤光栅频谱出现模式转换现象,模式跳变转折点对应最优薄膜厚度,不同薄膜介质对应不同的最优膜厚,研究对提高长周期光纤光栅传感器的敏感度具有重要的指导意义。     

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.     

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.     

矩形折射率调制型薄膜长周期光纤光栅特性研究

镀膜长周期光纤光栅传感器是目前光纤光栅传感研究的一个热点,但关于此类传感器模型的全面的理论分析目前还很少。本文基于严格的四层模型,从理论上对芯层折射率调制为矩形波调制的薄膜长周期光纤光栅的特性进行了详细的分析。在充分考虑材料色散对光纤芯层和包层的影响后,对薄膜参数、占空比和环境折射率的变化对镀膜长周期光纤光栅的谱特性的影响进行了数值研究。研究结果表明,薄膜参数对透射谱有重要影响,合理设计薄膜厚度可以获得较佳的损耗峰。研究还发现,镀膜后占空比对透射谱的影响减小,而对环境折射率变化的敏感度增加。在占空比为0.5时光栅具有最大的损耗峰值。     

镀膜相移长周期光纤光栅大间隔双峰滤波特性

研究了镀膜相移长周期光纤光栅(PS-LPFG)工作于相位匹配转折点(PMTP)时的大间隔双峰滤波特性。LPFG工作于PMTP时,纤芯模与高次包层模耦合产生的损耗峰3dB带宽可达288nm以上,在此LPFG中点引入单个π相移时在中心波长两侧出现的两个阻带峰间隔达388nm,远大于低次包层模耦合π相移LPFG的双峰间隔。在LPFG中均匀地引入M(M>1)个π相移时,双峰间隔随M的增大而增大,M为奇数时,中心波长损耗为0;M为偶数时,中心波长损耗随M的增大而减小。薄膜折射率与厚度的增加都将使两个阻带峰向短波长方向移动并增大双峰间隔。光栅长度的增大在改变双峰峰值损耗的同时使双峰间隔逐渐减小。     

长周期光纤光栅折射率特性仿真的新方法

基于长周期光纤光栅的模式耦合机理,提出一种快速模拟长周期光纤光栅折射率特性的方法。该方法在计算包层模式的有效折射率时分开计算,在环境折射率小于包层折射率时采用二分法和分步搜索法结合计算包层模式的有效折射率,在环境折射率大于包层折射率时采用Nelder-Mead加分步搜索法求解包层模式的有效折射率。在应用谐振波长的决定式求解与环境折射率的匹配的谐振波长时,采用变区间应用二分法求解而不是传统的逐步搜索法求解谐振波长。数值结果与实验结果做了对比,两者基本一致。实践证明,该方法方便快捷,比一般的方法速度提高7倍以上。     

Wavelength and sensitivity tunable long period gratings fabricated in fluid-cladding microfibers

We report the fabrication of long period gratings in fluid-cladding microfibers by directly focusing a femtosecond laser beam on the microfibers surface to induce periodical modification a long one side of the microfibers.A long period grating is fabricated in a water-cladding microfiber with a diameter of~5μm,which demonstrates a resonant attenuation of 28.53 dB at wavelength of 1588.1 nm with 10 pitches.When water cladding is changed to be refractive index oil of n=1.33 and alcohol solution with concentration of 5%,the resonance wavelength shifts to 1575.1 nm with resonant attenuation of 24.91 dB and 1594.1 nm with resonant attenuation of 35.9 dB,respectively.The long period grating demonstrates different temperature sensitivities of-0.524 nm/℃,-0.767 nm/℃and-1.316 nm/℃for water,alcohol solution and refractive index oil cladding microfibers,respectively,which means the alterable liquid cladding allows the availability of tunable wavelength and sensitivity.The fluid-cladding protects the microfibers from external disturbance and contamination and allows more flexibility in controlling the transmission property and sensing characteristics of long period gratings,which can be used as fiber devices and sensors for chemical,biological,and environmental applications.     

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。     

Detection and analysis of paraffin oil adulteration in coconut oil using fiber optic long period grating sensor

A fiber optic sensing system for the detection of adulteration of coconut oil by paraffin oil is experimentally demonstrated. The sensing mechanism is based on the sensitive dependence of the resonance peaks of a long period grating (LPG) on the changes of the refractive index of the environmental medium surrounding the cladding surface of the grating. The wavelength shift of the attenuation bands of the LPG was measured with the sensor immersed in a mixture of paraffin oil and pure coconut oil in different proportions. Detection limit of adulteration was found to be 3% for coconut oil-paraffin oil binary mixture.     

长周期光纤光栅耦合模理论分析

长周期光纤光栅作为透射型光无源器件,以其在通信和传感领域具有广阔应用前景而引起人们的关注。要得到满足性能要求的光纤光栅,对其透射谱的分析是基础。通过耦合模方程确定了基模和一阶各次包层模之间的耦合常数。在设定的光纤光栅参数条件下,通过Matlab进行模拟得到了最终需要的长周期光纤光栅透射谱,并由此得出：长周期光纤光栅谐振波长出现的位置主要由光栅的周期决定,损耗大小可以通过调节光栅长度和折射率来实现。     

+1/-1相位掩模板和532nm激光下低损耗As_2S_3硫系光纤布喇格光栅的制备

采用改进型Sagnac干涉光栅写入系统,利用532nm准带隙光曝光源和带+1/-1衍射级的相位掩模板,在两种不同直径的低损耗As_2S_3硫系玻璃光纤上刻写布喇格光栅,并研究曝光期间光栅的动态特性.实验表明,As_2S_3光纤布喇格光栅透射峰值随光纤直径的减小而增强;在曝光过程中,布喇格波长先是较快地向短波长方向移动,随着曝光时间的延长,布喇格波长缓慢地向长波长方向回复.曝光时间为800~1 000s时,在包层直径为140μm的As_2S_3光纤上获得质量良好的布喇格光栅光谱,其透射峰值可达-2.6dB,带宽为0.37nm.对As_2S_3硫系光纤纤芯的光敏性分析结果表明,折射率调制幅度和平均折射率变化随曝光时间分别可达到10-4和10-3数量级.     

Study and investigation of long period grating as refractive index sensor

In this paper, we have investigated the response of long period grating (LPG) as refractive index sensor. The response has been studied for refractive index variation ranging from 1 to 1.45. In this work, we found that the sensing mechanism is based on two different aspects. First is the change of coupling power from the guided core mode to other co-propagating cladding modes and second is the wavelength shift of the peak resonant wavelengths from their original positions due the change of refractive index of the environmental (external) medium surrounding the cladding of the grating.     

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。     

基于LiNbO_3的长周期波导光栅可调谐耦合器的设计

设计了一种基于LiNbO_3的长周期波导光栅可调谐耦合器.该耦合器利用长周期光栅的独有特性将输入波导的导模经包层模耦合至输出波导导模.由于LiNbO_3的电光效应,波导光栅芯层与包层的有效折射率随外加电压变化,从而耦合器的谐振波长及耦合效率可由外加电压调谐.分析了光栅周期与耦合器的长度对耦合器带宽和耦合效率调谐范围的影响,以及波导尺寸对谐振波长调谐灵敏度的影响.结果表明光栅周期越短,耦合器长度越长,则耦合器的带宽越窄,耦合效率调谐范围也越大.此外,谐振波长调谐灵敏度随波导宽度的增加而减小,而波导厚度对谐振波长调谐灵敏度的影响可以忽略.对光栅周期为94μm、长度为3.52cm的耦合器进行仿真,结果表明,谐振波长灵敏度为26.2pm/V,3dB带宽可达4.5nm,当外加电压从0变化到200V时,谐振波长变化5.24nm,耦合效率可在1到0.15之间进行调谐.