长周期光纤光栅折射率传感的研究概况.doc

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1、长周期光纤光栅折射率传感的研究概况李杰（作者单位：厦门大学电子工程系）一引言由光栅周期的不同，光纤光栅可分为布喇格光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPG）。FBG的周期约为几百纳米，主要特性是将某一频段的光反射回去，形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器，LPG的周期通常为几十到几百微米，主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。LPG对于温度、应力、外界折射率等参数的变化都有很高的响应灵敏度，研究表明，LPG对于温度的调协范围约为FBG的7倍，而对于外界折射率变化时的谐振峰中心波长移动量也明显高于布喇

2、格光栅。由光纤场分布形式可知，光纤对于包层模的束缚性较芯模为弱，高阶模的束缚性较低阶模弱。也就是说当环境参数发生变化时，包层模式传播常数、有效折射率等参数的变化要大于芯模，高阶模式各参数的变化大于低阶模式。相位匹配条件的变化将会引起耦合谐振峰中心波长位置的改变，而FBG的谐振峰是由前向芯模和后向芯模耦合而成，而长周期光栅的谐振峰是由前向芯模和同向包层模耦合而成。因此长周期光纤光栅对于环境参数的敏感性要高于一般的光纤光栅，在光纤传感测量方面具有很高的实用价值。本文将针对LPG传感特性好这一优点，介绍了LPG做为光纤传感测量的一些基本原理，

3、详细分析了国内外各研究机构将其应用于外部折射率测量方面的研究情况，得出一些规律性的结论。二．长周期光纤光栅原理1耦合特性对于理想的均匀光纤波导,纤芯及包层中存在的各阶次模式相互正交,不存在模式耦合。根据模式耦合理论,在光纤中写入光栅,就破坏了光纤波导光学特性的一致性,产生了介电扰动(折射率指数的变化,简称折变)。这种沿光纤纵向的周期性调制(扰动),使各个模式在纤芯及包层中相互耦合。从模式耦合机理来看,Bragg光纤光栅是前向传输的基模与后向传输的一阶各次芯模之间的耦合;而LPG是前向传输的基模与同向的一阶各次包层模式之间的耦合。长周期光

4、纤光栅耦合的相位匹配条件为：（1）其中、分别为光纤传输基模和包层模的传播常数，为光栅的周期。由于导模和包层模的传播常数都是波长的函数,所以在长周期光纤光栅中,导模可以和几个包层模在不同波长处满足相位匹配条件,从而使得光波可以从导模被耦合到几个包层模,而耦合到包层模的功率将很快衰减掉。在宽带光源入射的条件下,输出光谱上将出现以相位匹配波长,又称耦合波长为中心的多个吸收峰。由上面的相位匹配关系式可以推得耦合峰中心波长的计算公式：（2）为LPG基模与包层模耦合时的谐振波长，、分别为基模和包层模的有效折射率。2．折射率传感机理长周期光纤光栅用于

5、传感主要是以其耦合谐振峰中心波长随外界参数变化而移动为基础的。可能对光栅输出带来影响的外界条件包括环境温度、应力、环境折射率、光栅弯曲等,这些条件的改变可能引起纤芯和包层折射率以及纤芯和包层半径的变化,从而对光纤中的传输模式(导模和包层模的传播常数和模场分布)带来影响,外界条件的变化也可能改变光栅的周期。这些将导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数的改变,并最终表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。由谐振峰中心波长计算式（2）可推得其移动量随外界折射率的变化关系式如下：（3）为外界折射率变化量，为LPG耦合谐振峰中心波长的移动

6、量，其他参数与上同。LPG的折射率传感测量原理就是通过仿真计算和实验的方法找到中括号内的折射率敏感系数，然后建立起外界折射率变化与谐振峰中心波长移动量的对应关系。三．国内外研究情况介绍与结果分析基于上述理论分析可知，当外界折射率变化时，长周期光纤光栅的谐振峰中心波长也随之发生移动，而且包层模的阶数越高，对外界环境变化的灵敏度越高，所对应的中心波长移动量也就越大。通过模拟计算和实验测量的方法可以得出在某条件（如光栅周期，包层厚度，环境温度等）下，外界折射率与光栅谐振峰中心波长的对应关系。利用此对应关系，在未知环境中，就可以通过观察光栅谐振

7、峰中心波长的移动来确定该环境折射率的改变，达到传感测量的目的。下面将简要介绍和分析一下国内外各研究机构关于基于LPG折射率传感方面的具有理论指导意义的一些研究情况。1．谐振峰中心波长随外界折射率变化的研究华盛顿海军研究实验室的HeatherJ.Patrick博士等人以及北方交大的童治等人都系统性得分析过环境（敷层）折射率在较大范围内变化以及光栅周期的选择对LPG谐振峰的影响。图1基于LPG的外界折射率传感测量原理图所用光纤为标准的三层（纤芯、包层和外界环境）结构，理论分析时对于外界折射率小于包层折射率（约为1.45）的情况，采用弱导近似

8、法结合包层模耦合方程进行分析；对于外界折射率大于包层的情况，采用泄漏模理论进行分析。并最终通过实验验证，得到了LPG谐振峰中心波长随外界折射率变化的关系（图2所示）。图2LPG谐振峰中心波长随外界折射率的变