长周期光纤光栅应变和温度传感灵敏度研究

基于模耦合理论,从长周期光纤光栅在外加轴向应变或环境温度变化时可能出现的弹性形变、弹光效应、热光效应、热膨胀效应及波导效应入手,推导了描述其轴向应变和温度灵敏度的一般性公式.利用数值方法研究了光栅周期、耦合模式的阶次、弹光系数及热光系数对灵敏度的影响.结果表明：在相同条件下,增大光栅周期将是提高灵敏度的有效手段之一;低次模较高次模的耦合具有更高的灵敏度;包层与芯区的弹光系数（热光系数）相等时,波长漂移量很小且与谐振波长值有简单的正比关系.     

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。     

长周期光纤光栅耦合系数的研究

对均匀长周期光纤光栅（LPG）芯层导模间的耦合系数和芯层导模与包层模间的耦合系数进行了详细的研究。这些研究对长周期光纤光栅在实际应用中的设计具有一定的指导意义。     

长周期光纤光栅传感器温度和应变灵敏度分析

从耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度.结果表明,长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与光栅周期和纤芯参数有关,还强烈依赖于包层参数.通过选择适当的参数,可以制成对温度(或应变)不敏感的应变(或温度)长周期光纤光栅传感器,从而可以解决光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题.同时,利用基模与不同包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同,可以用一根长周期光纤光栅传感器同时测量温度和应变.     

长周期光纤光栅的研究

在对长周期光纤光栅的光学特性进行分析的基础上,通过适当设计的程控自动扫描曝光系统,采用具有高度灵活必珠逐点写入技术在经过氢载处理的普通单模光纤上成功地进行了长周期光纤光栅的研制。随后对氢载光纤中长周期光纤光栅的稳定性问题进行了分析与研究。     

光纤布拉格光栅温度灵敏性的实验研究

在-150～550℃的温度范围内测量了光纤布拉格光栅中心反射波长的温度灵敏性。光栅波长的温度响应是非线性的。通过对试验数据的三次多项式进行拟合分析,结果表明:波长为1500nm左右的光栅具有相同的温度敏感性;波长对温度变化的响应(ΔλB/ΔT)主要是由折射率的变化(dn/dT)引起的,dn/dT随着温度的降低而减小;得到了温度灵敏系数关于温度的二次表达式,并给出了在-150～550℃温度范围内波长变化的快速估算。     

长周期光纤光栅(LPFGs)的谱结构研究

利用相位匹配条件,从理论和实验上研究了均匀LPFGs的谱结构特点.结果表明,导模和不同包层模耦合产生的光谱特性有很大差别.在模序较小时,谱宽较小;模序增加,谱宽也增加;在某一模序附近,谱宽达到最大;以后随模序增加,谱宽迅速减小.给出了LPFGs中透射谱的最大损耗率及3 dB带宽与包层模序、光栅周期、耦合系数和栅长的关系.这些关系对设计满足特定最大损耗率和带宽的带阻滤波器或增益均衡器提供一种理论参考.选用不同的包层模、耦合系数和栅长,可以设计出谱宽很大或很小的LPFGs.     

镀膜长周期光纤光栅耦合系数的研究

给出了镀膜长周期光纤光栅芯层模式和包层模式耦合的耦合系数的详细表达式,应用此表达式对镀膜长周期光纤光栅的耦合系数的特性进行了较为详细的研究。研究发现:1)同次模式的耦合系数随薄膜厚度变化而变化,在某些厚度下,奇次模式耦合的耦合系数与偶次模式耦合的耦合系数几乎相等;2)在某些厚度处,交流耦合系数会有跳变发生;3)交流耦合系数随环境折射率的变化而变化,并且当环境折射率靠近光纤包层折射率时交流耦合系数会有急剧跳变发生。     

长周期光纤光栅强度型温度传感研究

对长周期光纤光栅(LPG)的温度特性进行了实验研究,测得的温度灵敏系数为0.086nm/℃,为光纤布喇格光栅(FBG)典型温度灵敏系数的8.2倍。以LPG作为传感元件,以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,研究了LPG的强度型温度传感特性,在74℃的温度变化范围内,激光透射光强的对数与待测温度的关系具有良好的线性和重复性,温度测量的分辨率可达0.1℃。     

长周期光纤光栅谐振波长的特性研究

研究了长周期光纤光栅谐振波长与光纤参数及光栅周期的变化关系,发现高阶包层模与低阶包层模具有完全不同的特点,在各种参数变化时两者的谐振波长向相反的方向移动。通过实际制作周期分别为１００μｍ和４００μｍ的光栅证实了这种差别。得到了一些有益于长周期光栅设计和制作和结论。     

Irradiation effect on strain sensitivity coefficient of strain sensing fiber Bragg gratings

The effect of irradiation on the strain sensitivity coefficient of strain sensing fiber Bragg gratings(FBGs) has been investigated through experiments. FBGs were fabricated in single mode fibers with 3 mol% Ge-concentration in the core and with a H2-loading treatment. In experiments, the FBGs were subjected to γ-radiation exposures using a Co60 source at a dose-rate of 25 Gy/min up to a total dose of 10.5 kGy. The GeO defect in fiber absorbs photons to form a GeE’ defect; the interaction with H2 is a probable reason for the γ-radiation sensitivity of gratings written in hydrogen loaded fibres. The effect mechanism of radiation on the strain sensitivity coefficient is similar to that of radiation on the temperature sensitivity coefficient. Radiation affects the effective index neff, which results in the change of the thermo-optic coefficient and the strain-optic coefficient. Irradiation can change the strain sensitivity coefficient of FBGs by 1.48%–2.71%, as well as changing the Bragg wavelength shift(BWS) by 22 pm–25 pm under a total dose of 10.5 kGy. Our research demonstrates that the effect of irradiation on the strain sensitivity coefficient of FBG is small and that strain sensing FBGs can work well in the radiation environment.     

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。     

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.     

基于光纤光栅的应变与温度分离技术的研究

理论分析了光纤光栅交叉敏感的物理机制,重点研究了基于双波长矩阵法和双参量矩阵法的应变与温度分离技术。提出了一种基于双参量矩阵法的应变与温度测量系统,该系统传感头由FBG和非本征型F-P干涉腔(EF-PI)构成,其中FBG对应变敏感,EFPI测温精度高。     

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.     

Sensitivity-variable fiber optic pressure sensors using microbend fiber gratings

We report on sensitivity control of fiber optic sensors using microbend long-period fiber gratings. By tuning the phase difference between a pair of periodically aligned rod arrays that sandwiches a single-mode fiber, we can change the coupling strength of the core mode with radiating cladding modes, resulting in variable pressure sensitivity of the transmission power through the fiber. This technique enables control of the measurable range of pressure. When the phase difference is shifted from π toward 0, the measurable range is expanded from 1.7 to 3.3 N/cm and higher using a light-emitting diode as an input light source.     

长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析同向模式耦合时,发现了同向耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了长周期光纤光栅的同向耦合谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换分析得出长周期光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式同向耦合分析,从而得到长周期光纤光栅光谱特性的通用表达式.根据该理论模拟分析了长周期光纤光栅在不同长度和微扰幅值时的光谱特性,与传统耦合模理论进行了对比分析.结果表明,该长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论具有简单、精确和高效的特点,与实际长周期光纤光栅的透射谱特性一致.应用该理论可分析无过耦合的任意轴向折射率微扰分布的长周期光纤光栅光谱特性.     

Fabrication of long-period gratings with a mercury-arc lamp

Long-period gratings (LPGs) were fabricated in hydrogen-loaded standard single-mode fibers by use of a broadband UV mercury-arc lamp. Several kinds of LPGs with loss of ∼50% were fabricated in 40 min. With this technology, LPGs can be mass produced at very low cost.     

低功耗非线性光纤光栅全光开关

光开关是未来全光通信和光计算机的关键器件.已经研究过的全光开关的种类很多,其中光纤光栅全光开关最容易与光纤系统匹配.文章首先陈述两种基于普通石英光纤的单光栅全光开关,即光纤布拉格光栅（FBG）全光开关和长周期光纤光栅（LPFG）全光开关,这两种低非线性的光开关要求千瓦量级的高开关功率,故不宜应用;然后重点介绍两种高非线性的光纤光栅全光开关,它们分别由单个高非线性FBG和用高非线性光纤连接的LPFG对构成.文章所介绍的非线性光纤材料是以掺稀土石英光纤为例.这两种高非线性的光纤光栅全光开关具有毫瓦量级的低开关功率,有可能获得实际应用.