微结构光纤

微结构光纤（精选九篇）

微结构光纤 篇1

自1990年以来,由于掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier,EDFA)、波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)等几项突破性技术的逐渐成熟,光纤传输系统的容量经历了爆炸性的增长。超高速、大容量的通信系统将是未来发展的必然趋势。但是当速率超过10 Gbps时,光纤色散影响将日趋严重[1]。因此光纤色散补偿技术对于高速度大容量光纤通信系统仍然是十分重要的。

单模色散补偿光纤是通过增加纤芯和包层的折射率差来增加光纤的负波导色散的,然而,因为传统光纤要通过掺杂来改变材料的折射率,其折射率差无法做得很大。作为下一代传输光纤以及光通信器件的关键部分,微结构光纤(Microstructure Optical Fiber,MOF),也叫光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF),在色散管理方面有着传统光纤无法比拟的优势[2]。

1 可控的色散特性

与传统单模光纤相比,微结构光纤灵活的几何设计更具有独特和新颖的色散特性,例如可见光波长区域的零色散、近零平坦色散和高负色散。表征微结构光纤结构特点和性能的3个特征参数是:纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔之间的距离。改变这些参数可以达到微结构光纤灵活结构设计,同时得到不同色散性能。

微结构光纤由于可以具有较大的纤芯和包层折射率差,因此可以在很长的波长范围内得到较大色散,在纯二氧化硅及传统单模光纤中产生正常色散的波长上,在微结构光纤中都可以实现反常色散,基于此人们可以实现孤子传播和超短脉冲压缩等。调节微结构光纤包层的结构,即适当调节空气孔直径d和空气孔间距Λ,可以使零色散波长λ0从长波长向短波长推移。Ranka等人第一次实验证明微结构光纤的零色散波长移动到800 nm附近[3],用这种光纤可以在整个可见光区域产生连续光。

近零超平坦色散在非线性系统尤其是超短孤子脉冲的传输中起着关键作用。同时在波分复用系统中,需要不同波长信道内具有相同的响应,这就也要求传输线具有超平坦色散和适当的低色散,使四波混频非线性最小。与反常色散PCF相比,近零超平坦色散光纤的包层空气孔较小,并且层数较多[4]。2002年,J.C.Knight等人设计的具有11层空气孔的、周期约为2.5μm,空气孔直径约为0.5μm的微结构光纤,可以在1.0～1.6μm波长范围内获得平坦的色散曲线[5]。

在宽带波分复用系统中,单模光纤的群速度色散(Group Velocity Dispersion,GVD)限制了数据的传输率。特别是在10 Gb/s的传输率时,GVD成为主要问题。在目前的通信波长1 550 nm处,光纤表现出很强的色散效应(≈20 ps/nm●km)。因此光纤的色散补偿技术在WDM系统中十分重要。微结构光纤经过合理设计其包层的几何结构,通过适当改变包层参数(空气孔直径d和孔间距Λ的值),可以很容易地在单一波长下得到较大负色散值。

2 研究现状

色散是光纤的一个重要性能参数,光纤中的许多效应都与色散有密切的关系,比如光通信系统中信号的传输光纤激光器以及基于非线性光学的光器件等。由于微结构光纤具有普通光纤无法比拟的奇异色散特性,国内外对微结构光纤的色散特性做了大量的理论和实验研究,下面分类论述目前正在研究的微结构光纤结构,重点对其色散特性进行研究。

2.1 纤芯与空气孔规则排列的微结构光纤

1996年,Knight等人制造了世界上第一根微结构光纤[6]。其二维截面是六边形的二氧化硅和空气孔规则排列的结构,通过在中心引入一个高折射率的缺陷形成具有六边形结构的单模微结构光纤。此后,微结构光纤得到广泛的关注并开始了大量的研究工作。通过改变空气孔的形状、填充比等参数可以设计不同的微结构光纤,达到不同的性能。Kunimasa Saitoh和Masanori Koshiba在2004年提出了一种具有高非线性色散平坦特性的新型结构的微结构光纤,通过改变空气孔的尺寸使得这种结构不仅具有高非线性,而且色散平坦、泄漏损耗低[7]。计算结果显示,其群速度色散很小,色散斜率几乎为零。这种新型的微结构光纤可以使用PS脉冲在通信窗口高效地产生超连续谱。2009年,Dora Juan Juan Hu等人提出了一种新型的微结构光纤,通过在纤芯区引入一个椭圆形空气孔来改变光纤的色散及双折射特性,适当调节其他参数,从而得到高双折射、高非线性、且具有平坦色散特性的微结构光纤,结果表明这种结构可以用于色散控制、偏振保持系统以及非线性光学系统中[8]。最近,H.Xu等人提出了一种针对六边形微结构光纤(H-PCF,包括1孔缺失和7孔缺失)、圆形微结构光纤(C-PCF)、矩形微结构光纤(S-PCF)和八边形微结构光纤(O-PCF)的设计思路[9]。如图1所示,分别改变d1、d2、d3、Λ4个参数可以达到不同的色散曲线。

2.2 纤芯掺杂微结构光纤

微结构光纤结构设计的灵活性使得人们可以设计各种各样的微结构光纤,但是真正实现却并不那么容易,因为复杂、精确的设计结构必然伴随着更困难的制作工艺。纤芯掺杂的微结构光纤则为二者寻求了一种折衷方法。改变掺杂结构或是掺杂源均可获得不同的性能。

J.Patrocfnio da Silva等人提出了一种用于WDM光纤通信系统残余色散补偿的微结构光纤,通过在传统微结构光纤的中心掺杂Ge使得在E+S+C+L+U波段呈现平坦的负色散[10]。Jiyoung Park提出一种掺杂环结构的微结构光纤,向包层空气孔掺杂高/低折射率材料,这相当于减少/增加包层孔径,最终达到不同的色散曲线。但是整体有相同的孔径,降低了制作工艺的难度[11]。Michal Lucki还研究了在孔环里掺杂水的微结构光纤所表现出独特的性质—会引起色散图参数的变化[12]。

利用掺杂的微结构光纤可以构成放大器[13]、滤波器[14]、光纤光栅[15]以及微结构激光器等[16,17]。2007年,Caroline Lecaplain等人报道了利用掺Yb的大模场面积的微结构光纤激光器产生了高功率正常色散飞秒光脉冲[16]。2012年陈瑰等人报道了掺镱双包层微结构光纤的制备,同时首次实现了国产掺镱微结构光纤的高功率高效率激光输出[17]。

2.3 多芯微结构光纤

在未来高速大容量通信系统中,微结构光纤可以提供更好的光学特性。为了大幅提高每根光纤的传输容量,可以采用多芯技术,多芯光纤可以实现超宽带传输的新颖特性。报道称利用微结构光纤可以使传输线的容量达到Pb/s量级[18]。Katsunori Imamura等人设计了一种7芯微结构光纤,优化结构参数可达到传输带宽500～1700 nm,传输距离大于100 km,每芯的容量均保持在Pb/s量级[19]。因此,多芯微结构光纤结合空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)和波分复用技术在未来高速大容量通信系统中具有巨大的应用潜力。

同时纤芯的个数也会影响光纤的色散曲线。实验室设计了3种基本结构的多芯微结构光纤,如图2所示,并对其色散性能进行了分析。图3给出了3种纤芯结构的微结构光纤的群速度色散随波长的变化曲线。计算得到3种纤芯微结构光纤的色散峰值分别是:2芯微结构光纤–7.3×105 ps/nm●km,3芯微结构光纤–4.2×105 ps/nm●km,5芯微结构光纤为–2.4×105 ps/nm●km;色散带宽依次为:2芯微结构光纤8 nm,3芯微结构光纤14 nm,5芯微结构光纤25 nm。从图中可以看出,在保持结构参数不变的情况下,随着纤芯数量的增加,多芯微结构光纤的色散峰值的绝对值越来越小,而且色散带宽越来越大,变化趋势非常明显。对于上面设计二维阵列的5芯微结构光纤,其带宽高达25 nm,在未来高速大容量通信系统中将具有很高的应用价值。

还有一类多芯微结构光纤,这种结构的纤芯不是相互独立的,而是同轴同心,又叫concentric-core MOF。通过在较小空气孔环的外围引入一层环芯,F.gerome等人首次利用此耦合非对称的双芯结构实现了较大的负色散(1 550 nm处达到–2 200 ps/nm●km)[20]。2004年,这种双芯微结构光纤的色散和色散斜率补偿性能首次在实验上进行了验证[21]。同时也使得双芯微结构光纤在未来高速大容量通信系统具有潜在的应用前景。2005年,A.Huttunen等人设计的双芯微结构光纤色散值为–5 900 ps/nm●km,其半高全宽超过100 nm,可覆盖整个C+L波段[22]。

另外,多芯微结构光纤还有良好的耦合、非线性等特性,可以用来做波分复用器[23]、耦合器[24]、偏振分束器[25]、光开关[26]等。

近年来,随着纳米材料和技术的飞速发展,微结构光纤与纳米材料的结合将是必然的趋势。基于半导体(如纳米线/量子点)的微结构光纤也将成为人们研究的热点。Lyguat Lee等人就提出了一种用于未来光通信的基于InP量子点的微结构光纤(NanoPhotonic Quantum Dots Optical Fiber,NQDOF),在内层空气孔中选择性地沉积InP量子点[27]。但是关于半导体和微结构光纤的结合对光纤色散性能的影响没有相关的报道。

当然,上述微结构光纤也并不是相互独立的,也可以是混合性的微结构光纤,比如多芯掺杂微结构光纤、基于半导体的多芯微结构光纤等,未来也可能会出现其他新型结构的光纤。

3 结语

光纤线缆・什么是光纤分类 篇2

光纤的种类很多，分类方法也是各种各样的。

(一)按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。

塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。

(二)按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。

多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。由于OHˉ的吸收作用，0.90~1.30μm和1.34~1.52μm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31μm。

多模光纤

多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤

单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU-T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。

(三)按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。

常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的`光上，如1300μm。

色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。

我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗?但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm处色散小得多。这种光纤如工作在1.55μm波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。

为了使光纤较好地工作在1.55μm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤(DSF)。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近。这种光纤又称为1.55μm零色散单模光纤，代号为G653。

G653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。

色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即G655光纤，将光纤的零色散点移到1.55μm 工作区以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在1.55μm波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。

还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在1.31μm到1.55μm整个波段上的色散都很平坦，接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。

(四)按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。

阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。

渐变型光纤：为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。

(五)按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。

微结构光纤 篇3

关键词： 多模光纤； 倏逝波传感器； 高灵敏度； 分段结构

中图分类号： TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.004

Abstract： In order to achieve the analysis and measurement of high sensitivity， low concentration of solution， a segmented evanescent sensor based on multimode fiber was proposed. The sensor was fabricated with the 60/125 μm stepindex multimode optical fiber wrapped around a scaffold. The scaffold was integrated using highly polished PVC pipe. The optical fiber was peeled off the same length coating layer at the same distance and the section peeled off coating layer was between the two PVC pipes. Multimode fiber evanescent wave sensor with the bare core length of 60 cm can be obtained by application of chemical corrosion method. The test was carried out using the methylene blue solution and wide light source for studying the characteristics of sensor. The experimental results showed that the sensitivity （1.298×10-5 L/mmol） of the segmented optical fiber evanescent wave sensor was far better than the sensitivity （1.020×10-2 L/mmol） of 6 cm straight optical fiber evanescent wave sensor. It still had good mechanical strength， and can be applied in qualitative and quantitative analysis of the low concentration solution materials.

Keywords： multimode fiber； evanescent wave sensor； high sensitivity； segmented structure

引言光纤倏逝波传感器由于结构简单、响应快、光谱范围宽、成本低，可以很好地应用于物质成分探测或特定物质含量的测量，因此成为国内外研究的热点[15]。20世纪中后期到现在是光纤倏逝波传感器的快速发展时期，出现了不同结构，不同光学系统的倏逝波型光纤传感器应用于生物探测，化学成分分析，气体浓度分析，环境监测等各个领域[68]。目前，光纤倏逝波传感器的结构主要有直形、D形、锥形、U形、S形等。直形结构[9]简单，易制备和操作，但目前的制作工艺制约了光纤传感区的长度和直径，限制了传感器的性能；D形结构[10]和锥形结构[11]的灵敏度相对直形有所提高；S形和U形结构[1214]的灵敏度与弯曲半径有关，弯曲半径越小，传感器的灵敏度越高，但是弯曲半径越小，传感器越容易折断。为了实现高灵敏度、低浓度的溶液分析与测量，设计了一种基于多模光纤的分段式倏逝波传感器。这种分段结构的多模光纤倏逝波传感器的灵敏度（1.298×10-5 L/mmol）远远优于直形不分段的传感的灵敏度（1.020×10-2 L/mmol），同时保持良好的机械强度，在物质成分探测及分析领域具有更好的应用价值。1分段光纤倏逝波传感器原理分段式光纤倏逝波传感器在传感区将溶液、气体等待测物质作为包层，待测物的吸收会使倏逝波能量衰减，可以通过检测传输能量及光谱的变化来得到待测物的相关信息，其结构原理如图1所示。

光纤吸收损耗后能量传输关系可以表示为[15]：Pout=∑Nj=1rjPiexp（-αηjL）（1）式中：Pout为输出光功率；Pi为入射光功率；rj是第j个模式中传播的能量占总能量的百分比，在使用非相干光源时，每个模式传播的能量占总能量的百分比近似相等[15]；α是被测物质的消光系数，α=ε C/lge，其中ε和C分别表示被测物质的摩尔吸收系数和浓度；ηj是第j个模式中包层功率占总功率的百分比；L（L=L1+L2+L3）为传感长度。光学仪器第37卷

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第3期沈建华，等：基于分段结构的多模光纤倏逝波传感器

对于多模光纤，ηj可以表示为[16]：ηj=∫θu（z）0∫π/20λnexsin3θsin2φπD1n21sin2θc（sin2θc-sin2θsin2φ）1/2dθdφ∫θu（z）0∫π/20sinθcosθsin2φdθdφ（2）式中：λ为入射的波长；n1为纤芯的折射率；nex是溶液的折射率，通常小于包层的折射率n2；θ为子午光线的入射角；φ为斜光线的入射角；θc=arcos（nex/n1）是纤芯与溶液临界角的补角；D1为分段区的直径；θu（z）为子午光线的入射角的上限。在溶液折射率不随浓度变化时，光纤倏逝波传感器的灵敏度可表示为[17]：SC=-1PoutdPoutdC（3）结合式（1）和式（3）可求得灵敏度表达式为：SC=∑Nj=1rjPiexp（εηjL/lge）（4）则在物质摩尔吸收系数一定的条件下，灵敏度可以表示为：S=SCε=1ε∑Nj=1rjPiexp（εηjL/lge）（5）分析式（2）和式（5）可以得出，影响传感器灵敏度的结构参数有L和D1。减小传感区的纤芯直径或增加传感区距离都可以增强物质的吸收，增大传感器灵敏度，但为了保证传感器结构强度，纤芯直径不能无限减小。而传感区L越长，其物理强度越差，后续增加的单位长度的传感光纤对传感器灵敏度的贡献越来越小[18]。分段结构光纤倏逝波传感器能有效地激发光纤中低阶模到高阶模的转变，提高传感器的灵敏度，且分段数越多，纤芯中会有更多的高阶模式被激发，从而进一步提高传感器的灵敏度[19]。2传感器制备及实验

2.1传感器制备传感光纤：阶跃型多模石英光纤（长飞光纤光缆有限公司），其纤芯直径为60 μm，纤芯+包层为125 μm，纤芯+包层+涂覆层为250 μm，数值孔径是0.22，纤芯折射率为1.473 5，包层折射率为1.457 5。光纤支架：支架采用PVC管和有机玻璃板组成，其中PVC管分为四个形状一致并同等大小的1/4圆弧A1、A2、A3、A4，有机玻璃板包括两块形状一致并同等大小的B1和B2，分别将A1、A2、A3、A4粘合在B1和B2之间的四个角上。本文选择光纤总长约2 m的传感光纤，两端分别留出约0.2 m长的光纤熔接光纤跳线。其他部分光纤用剥线钳分段等长度剥除涂覆层（本文所制备传感器剥除长度为1.5cm），未去涂覆层部分与PVC管接触，去涂覆层部分平直位于1/4圆弧之间。绕制结束后，将传感器放入HF（40%）∶NF4F（分析纯）∶H2O（去离子水）为1∶2∶6的光纤腐蚀液中，并通过参考光纤和输出光功率的变化来监测传感器的腐蚀情况，直到传感区光纤包层被腐蚀完毕。制备好的光纤倏逝波传感器如图2所示。

2.2系统构建光纤倏逝波传感器系统由VIS宽光源（海洋光学，LS1LL）、所制备的传感器、SMA905光纤跳线、USB4000微型光纤光谱仪（海洋光学）、USB数据线和计算机组成，如图3所示。

参考光谱的测量：由图3可知，VIS宽光源通过SMA905光纤跳线将光耦合进入射光纤，经入射光纤传输至光纤传感器，光纤传感器整体放入去离子水中，经传感获得去离子水的光谱信息，并保存，而后将去离子水排出。样品光谱的测量：在水槽内注入待测样品，当光通过纤芯传感区，溶液作为光纤新的包层，在溶液与纤芯界面处光波以倏逝波的形式在溶液中传播，溶液中的物质对倏逝波选择吸收使光强发生变化，携带有待测样品信息的光波通过USB微型光纤光谱仪检测处理后传输至计算机，经比较去除去离子水的光谱信息，最终获得待测样品的信息。

2.3实验测试过程溶液配制：本实验通过电子天平称0.037 39 g亚甲基蓝（C16H18ClN3S·3H2O，分子量：373.9，分析纯），用去离子水溶解稀释后，采用1 000 mL容量瓶稀释定容获得100 μmol/L的亚甲基蓝溶液。而后分别稀释配制不同浓度的亚甲基蓝溶液。光谱测试：采用60 cm分段结构的光纤倏逝波传感系统测定10～60 μmol/L的亚甲基蓝溶液吸收光谱，同时以6 cm不分段的直形光纤倏逝波传感器测定6.26～43.82 mmol/L的亚甲基蓝溶液吸收光谱作为对比实验。先用传感器测量去离子水的参考光谱，然后再测量样品光谱，样品光谱是在去除去离子水的光谱信息下获得的，分别如图4（a）和（b）所示。

从图4（a）和（b）中可以看出，亚甲基蓝溶液在550～700 nm范围有吸收，在波长600 nm和660 nm处有强吸收，吸光度A随着溶液浓度的增加而增大。3结果和讨论本实验选择600 nm为测定波长，根据图4可以得到亚甲基蓝溶液浓度与吸光度对应表，如表1所示。

图5中（a）的线性回归方程：A=1.298×10-5C-0.025 4，R2=0.995 2。图5中（b）的线性回归方程：A=1.020×10-2 C+0.129 43，R2=0.981 51。本实验室前期实验表明当不分段的直形光纤倏逝波传感器L≥10 cm时，输出的光强过小，无法很好地检测到光谱信号，故采用相同直径的传感长度为L=6 cm的不分段的直形传感器作为对比实验。实验结果表明，传感区长达60 cm的基于分段结构的多模光纤倏逝波传感器的灵敏度为1.298×10-5 L/mmol；相同直径的传感长度L=6 cm的传感器的灵敏度为0.010 2 L/mmol。分段式光纤倏逝波传感器传感距离虽然是相同直径的传感长度L=6 cm的不分段直形传感器的10倍，但是灵敏度却是它的1 000倍，同时又能保持良好的机械强度，因此可以更好的应用于低浓度溶液物质的定性定量分析。因此可以通过该系统测定溶液吸光度值，采用所建立模型快速获取待测物质浓度。4结论通过将光纤等距离剥除涂覆层后缠绕于光纤支架，再经过化学腐蚀获得一种基于多模光纤的分段式倏逝波传感器。该传感器在保证一定纤芯直径的强度下增加了传感区长度，提高了倏逝波型传感器的灵敏度。相对单根直形结构传感器，该传感器具有灵敏度高，响应时间快，更易封装，而且具有良好的机械强度，能更好的适用于液体或气体中衡量物质的检测。同时，本实验设计的高灵敏度光纤倏逝波传感器还存在加工难度高、制备困难以及重复性不太稳定等问题，还需要进一步研究。参考文献：

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（编辑：程爱婕）

微结构光纤 篇4

光纤光栅具有体积小、插入损耗低、抗干扰能力强等优点,在光通信和传感领域具有重要的应用价值[1]。均匀光纤布拉格光栅常作为一种反射型带阻滤波器件,而相移光纤光栅能在反射谱的阻带内打开一个很窄的透射窗口,因此,相移光纤光栅是一种很好的透射型滤波器。通过适当设计相移光纤光栅的结构参数,如相移量、相移位置、相移点数量以及切趾等,可以获得不同线宽和滚降特性的透射窗口[2]。这些特性使得相移光纤光栅在窄带滤波、光纤激光器以及光纤传感领域有着广泛的应用[3]。

传统的相移光纤光栅需要通过掩膜板法设计制作,不同的光栅结构需要设计相应的掩膜板,且掩膜板的制作加工需要很高的成本,不便于制作多种不同参数的相移光纤光栅。而微结构相移光纤光栅的制作是在普通光纤布拉格光栅的包层上采用氢氟酸(HF)刻蚀,设计相应的刻蚀参数即可获得所需的相移光纤光栅。

1 理论分析

光纤中的折射率分布如图1所示,图中,rco为纤芯半径,rcl为包层半径,SRI(Surrounding Refractive Index)为环境折射率,nco为纤芯折射率,ncl为包层折射率。在常规光纤中,由于包层直径远大于纤芯直径,传导模的有效折射率neff可通过光波导理论求解[4]。当光纤的包层直径减小到与纤芯直径可比拟时,不满足常规光纤中的有效折射率的近似求解条件,而应该采用双包层理论求解。

在弱导波近似条件下,双包层光纤中传导模的有效折射率和场分布满足下面的色散方程[5]:当β<k0ncl(k0为真空中的传播常数)时,

$\begin{array}{l}\frac{\left[\widehat{J}{}_m(u)-\widehat{Y}{}_m(u^{\prime }c)\right]}{\left[\widehat{J}{}_m(u)-\widehat{J}{}_m(u^{\prime }c)\right]}\frac{\left[\widehat{{\rm K}}{}_m(v)-\widehat{J}{}_m(u^{\prime })\right]}{\left[\widehat{{\rm K}}{}_m(v)-\widehat{Y}{}_m(u^{\prime })\right]}=\\ \frac{J{}_{m+1}(u^{\prime }c)Y{}_{m+1}(u^{\prime })}{J{}_{m+1}(u^{\prime })Y{}_{m+1}(u^{\prime }c)};(1)\end{array}$

当β>k0ncl时,

$\begin{array}{l}\frac{\left[\widehat{J}{}_m(u)-\widehat{{\rm K}}{}_m(v^{\prime }c)\right]}{\left[\widehat{J}{}_m(u)+\widehat{{\rm I}}{}_m(v^{\prime }c)\right]}\frac{\left[\widehat{{\rm K}}{}_m(v)+\widehat{{\rm I}}{}_m(v^{\prime })\right]}{\left[\widehat{{\rm K}}{}_m(v)-\widehat{Y}{}_m(v^{\prime })\right]}=\\ \frac{{\rm I}{}_{m+1}(v^{\prime }c){\rm K}{}_{m+1}(v^{\prime })}{{\rm I}{}_{m+1}(v^{\prime }){\rm K}{}_{m+1}(v^{\prime }c)},(2)\end{array}$

式中,m为各类贝塞尔函数的阶数;c=rco/rcl ;

$\begin{array}{l}u=r{}_{\text{c}\text{o}}k{}_{\text{o}}\sqrt{n{}_{\text{c}\text{o}}^2-n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}^2};v=r{}_{\text{c}\text{l}}k{}_{\text{o}}\sqrt{n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}^2-SR{\rm I}{}^2};\\ u^{\prime }=r{}_{\text{c}\text{l}}k{}_o\sqrt{n{}_{\text{c}\text{l}}^2-n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}^2};v^{\prime }=r{}_{\text{c}\text{l}}k{}_0\sqrt{n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}^2-n{}_{\text{c}\text{l}}^2};\end{array}$

这里的^表示对各类贝塞尔函数采取下列运算(Z即J、I、K、Y):

$\widehat{{\rm Z}}{}_m(x)=\frac{{\rm Z}{}_m(x)}{x{\rm Z}{}_{\text{m}+1}(x)}。$

由上述波导理论可知,不同的包层直径处所对应的传导模的有效折射率不同。两端包层直径的突变将导致两端折射率的突变,从而形成Fabry-Perot(F-P)腔效应。满足F-P腔谐振条件的光将通过光纤光栅,在反射谱阻带中形成一个很窄的透射峰。此过程可看作光栅在刻蚀区域内引入一个相位延迟。

基于F-P结构理论,则相移量Δφ的关系式为

$\text{Δ}\phi =\frac{4\text{π}}{\lambda }\text{Δ}n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}L{}_{\text{Τ}\text{h}},(3)$

式中,λ为工作波长;LTh为光纤光栅的刻蚀宽度;Δneff与环境折射率SRI和包层直径DTh有关。

根据传输矩阵法[6],相移调制的作用可以用传输矩阵Fφ表示:

$\mathit{F}{}_{\phi }=\left[\begin{array}{cc}\exp (-i\phi /2)& 0\\ 0& \exp (i\phi /2)\end{array}\right]。(4)$

采用传输矩阵级联的方法,可以推导出光纤光栅的传输函数为

$\mathit{F}=\mathit{F}{}_1\cdot \mathbf{F}{}_{\phi }\cdot \mathit{F}{}_2=\left[\begin{array}{cc}F{}_{11}& F{}_{12}\\ F{}_{21}& F{}_{22}\end{array}\right],(5)$

式中,F1、F2为未刻蚀光纤光栅的传输矩阵;F11、F12、F21和F22为传输矩阵的各个元素。则微结构光纤光栅的反射特性R和透射特性T由矩阵F求得

$R=|F{}_{21}/F{}_{22}|{}^2,{\rm T}=1-R。(6)$

2 数值计算与结果分析

根据上述理论,采用数值分析方法对不同结构的微结构光纤光栅的反射谱特性进行仿真。如图2所示,微结构光纤光栅的总长度为LFBG=3 mm,纤芯折射率为1.451,包层折射率为1.444,光栅周期空间折射率变化的直流分量$\overline{\delta n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}}=5\times 10{}^{-4}$,纤芯模场直径为6.08 μm,布拉格波长为1 550 nm。刻蚀深度为δTh,刻蚀后包层的直径为DTh,两端未被刻蚀的光栅长度分别为L1和L2。

2.1 刻蚀宽度对微结构相移光纤光栅特性的影响

假设环境折射率SRI=1,L1=L2。当包层全部被刻蚀时,随着刻蚀宽度LTh的逐渐增大,相移量也随之增大。透射窗口逐渐从短波区移向长波区。当微结构光纤光栅引入的相移量为π±2kπ时(k为整数),透射窗口对应的工作波长为光栅布拉格波长,此时在光栅反射谱中将形成一个很深的透射窗口。以相移量π为基准点,相移量增大或者减小相同的量时,透射窗口的位置是对称的。不同的刻蚀宽度对应的微结构光纤光栅的反射谱如图3所示。当刻蚀宽度为58.3 μm时,相移量为π,见图3(a);图3(b)所示为不同刻蚀宽度的相移光纤光栅的反射谱。由此可知,当刻蚀深度确定时,精确控制刻蚀宽度可以引入精确相移量。

2.2 刻蚀深度对微结构相移光纤光栅特性的影响

通过色散方程(1)和(2),可求解出不同的包层直径所对应的传导模的有效折射率。当刻蚀使光纤光栅直径从125 μm到纤芯直径时,传导模的有效折射率的变化范围为1.446 1～1.439 6。从图4可以看出,随着包层直径减小,传导模的有效折射率变化量逐渐增大。根据式(3)可知,有效折射率变化量增大时,相移量也随之增大。在无包层时,相移量达到最大值。当环境折射率SRI=1,L1=L2,刻蚀宽度为175 μm时,无包层、包层直径为8和10 μm时的反射谱特性如图5所示。由于有效折射率变化范围有限,如果刻蚀宽度<58.3 μm,即使刻蚀区域无包层,也无法引入π相移。

2.3 刻蚀区域位置对微结构相移光纤光栅特性的影响

环境折射率SRI=1、刻蚀宽度为175 μm、包层全部刻蚀的情况下,通过式(3)计算可知,微结构光纤光栅引入的相移量为3π,当刻蚀区域左右两侧的光栅长度之比分别为1∶1、1∶2、1∶3、2∶1和3∶1时,计算得到的反射谱特性如图6所示。从图可见,当刻蚀区域偏离光栅中心时,透射窗口不会改变,但是刻蚀区域越偏离中心位置,透射率越低。

3 结束语

本文结合光纤双包层理论和谐振理论分析了微结构光纤光栅产生相移特性的原理,并采用传输矩阵法进行了数值分析。通过模拟仿真分析得到刻蚀宽度、刻蚀深度及刻蚀位置对微结构光纤光栅反射谱的影响。发现采用刻蚀普通均匀光纤光栅可以制作相移光纤光栅,在不使用相移掩膜板的情况下,精确控制刻蚀的深度和宽度就能获得相应的相移光纤光栅。

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微结构光纤 篇5

自从Ranka等人在光子晶体光纤中观测到超连续谱的现象以来,超连续谱的应用已经成为研究热点[1,2]。超连续谱在光谱学、脉冲压缩和可调飞秒激光源等方面有着广泛的应用[3,4]。利用普通光纤获得的超连续谱往往波形起伏较大或较窄,而在实际应用中,超平坦或者超宽的连续谱却是必需的。因此,我们在材料上选择具有高非线性系数的硫化物玻璃,这样能够在低泵浦功率、短距离光纤中产生超连续谱。硫化物的折射率在2.4~3.0之间,传输窗口在0.6~15μm之间。硫化物玻璃最具优势的是其非线性系数高达3×10-18m2/W[5,6,7],在红外波段具有巨大的应用潜力。

本文提出了用两种高非线性碲酸盐和氟化物玻璃作为包层、硫化物玻璃为芯层的微结构光纤。由于包层和芯层均为高非线性材料,因此所得微结构光纤也会保持很高的非线性[8]。所提微结构光纤的结构为6个相同的空气孔在碲酸盐或氟化物包层中,按六边形围绕在硫化物芯层周围,通过改变这些空气孔的位置、大小进而控制光纤的色散,所得硫化物/碲酸盐光纤具有非常平坦的正常色散区,在该色散区泵浦能够获得超平坦的超连续谱。

1 超平坦超连续谱的获得

图1所示为微结构光纤的结构与折射率分布,其包层为碲酸盐玻璃,芯层为硫化物玻璃。D、d和Λ分别为As2S3芯层直径、空气孔直径和两个相邻空气孔中心的距离。采用全矢量有限元法计算微结构光纤的色散和损耗。图2所示为基模模场分布图,取D=1.35μm、d=0.5μm、Λ=1.5μm、波长λ=2μm。由图2可看出,大部分的能量被限制在硫化物芯层中,在碲酸盐包层和As2S3芯层之间存在一定的消逝场,空气孔之间没有能量的泄漏。

为了获得超平坦的正常色散曲线,通过调整光纤的参数来计算不同情况下的色散。图3所示为在d=0.5μm,Λ=1.5μm的条件下,D分别取1.30、1.35和1.40μm时的色散曲线。由图可看出,该条件下光纤在2~3μm波段具有非常平坦的正常色散区域,且当D减小时,色散曲线随之趋于零。

利用高非线性的微结构光纤能较容易地实现诸如超连续谱的非线性效应,非线性系数γ可表示为[9]

式中,F(x,y)为场的模式;n2(x,y)为非线性折射率分布。As2S3玻璃的n2(x,y)为3×10-18m2/W,碲酸盐玻璃的n2(x,y)为5.9×10-19m2/W。因此,所设计微结构光纤的γ为12.12m-1W-1。

确定了色散曲线和非线性系数后,通过求解薛定谔方程来计算超连续谱。薛定谔方程为[9]

式中,A(z,t)为光场幅度;βk为传播常数的k阶导数,βk可由色散曲线得到。

假定泵浦源为λ=2μm、脉宽为200fs的飞秒激光。利用图3的色散曲线,可得不同芯径时产生的超平坦超连续谱如图4所示,其超连续谱的宽度随着硫化物芯径的减小而增大,该现象可依据波谱展宽因子来解释。在正常色散区,展宽因子,由图3可知,D=1.30μm的光纤色散趋于0,群速度色散系数β2比其他芯径的光纤要小,而芯径较小的光纤展宽因子更大,因此相同泵浦条件下,芯径较小的光纤获得的超连续谱更宽。当泵浦波长远离零色散波长时,自相位调制占非线性的主导地位,因此能够获得近似对称而且平坦的超连续谱。

不仅硫化物芯层的尺寸对超连续谱有影响,不同L、P下所获得的超连续谱均有所不同。对于所设计的微结构光纤,当L=0.1m、P=1 000W时所得到的超连续谱最为平坦,抖动最小。图5所示为D=1.3μm、d=0.5μm、Λ=1.5μm、P=1 000 W、L=0.1 m时产生的超平坦超连续谱。由图可以看出,在1.4~3μm波长范围内可产生偏差不超过4dB的超平坦超连续谱,该光纤在波长转换和全光信号传输上具有很大的应用潜力。

2 超宽超连续谱的获得

为了获得超宽的超连续谱,设计了一种硫化物芯/氟化物包层的微结构光纤。图6所示为该光纤的结构与折射率分布,其波长λ=2μm,采用全矢量有限元法计算其色散和损耗。

若想获得超宽的超连续谱,泵浦光纤应具有大范围且尽可能小的反常色散区。为了获得想要的色散曲线,同样通过调整光纤参数来计算不同情况下的色散。图7所示为该光纤在d=3μm、Λ=4μm、D=2.5μm时的色散曲线。由图可以看出,在2~7.5μm的波长范围内具有很宽的反常色散区,在泵浦波长为2μm处β2很小,因此可以产生很宽的超连续谱。采用波长为2μm、脉宽为400fs的飞秒激光泵浦、长度为0.1m的光纤,通过求解薛定谔方程得到该条件下获得的超宽超连续谱如图8所示。从图中可以看出,能够获得波长从1.2~7μm的超宽超连续谱。

3 结束语

本文设计了两种基于硫化物的微结构光纤,一种为正色散区色散平坦的硫化物芯/碲酸盐包层结构,利用该光纤能够在波长1.4~3μm之间获得起伏小于4dB的超平坦的超连续谱;另一种为硫化物芯/氟化物包层结构,通过对光纤参数的优化,获得了波长从1.2~7μm范围的超宽超连续谱。在实际的光通信中,无论是超平坦还是超宽的超连续谱,都具有广泛的应用,高非线性的硫化物光纤在光通信中也有着巨大的应用潜力。

摘要：研究了基于硫化物微结构光纤产生的超连续谱。设计了一种正常色散区色散平坦的硫化物芯/碲酸盐包层微结构光纤,该光纤能够获得超平坦的超连续谱。为了实现平坦的正常色散,对硫化物纤芯直径、空气孔大小和位置等光纤结构参数进行了优化,获得了波长范围在1.4~3μm之间、起伏小于4dB的超平坦超连续谱;同时还设计了一种硫化物芯/氟化物包层的微结构光纤,通过对光纤参数的优化,获得了波长从1.2~7μm的超宽超连续谱。

关键词：非线性光学,超连续谱,硫化物玻璃

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微结构光纤 篇6

关键词：光纤光栅,正弦包层,拉力应变

紫外写入光纤光栅在许多领域都得到了广泛的应用, 它可以用作光滤波器、增益平坦器、光纤激光器中的反射镜以及色散补偿器等[1,2,3].具有理想箱型反射谱的光纤光栅在密集波分复用系统中具有重要的应用[4,5].为了使光纤光栅的反射谱为理想箱型, 人们提出了不同的办法, 但是这些方法都需要特殊结构的掩膜板, 并且其反射谱特性不具有调节功能[6,7,8].提出了一种光纤Bragg光栅的结构, 其包层的横截面面积按照正弦函数变化.由于光栅的拉力应变与光栅的横截面面积成线性关系, 因此, 在对光栅施加一定拉力的情况下, 整个光栅各个位置的应变与包层半径函数的平方成线性关系, 从而使光栅的周期也按照正弦函数变化, 成为一个啁啾光纤光栅.

1 光纤光栅结构与特性分析

正弦函数型包层结构光纤光栅 (SEFG) 的结构如图1所示, 光纤芯层中为均匀周期的Bragg光栅, 包层的半径沿着光纤轴向变化, 其变化函数可以表示为

$r=\frac{r{}_0}{\sqrt{1+g[1+f(z)]}}(1)$

式中, r0为包层半径的最大值, 取r0=62.5 μm, 为普通光纤的包层半径;g为半径变换系数;f (z) 为正弦函数, 可表示为

$f(z)=\sin (\frac{2\text{π}z}{L})(2)$

其中, L为光纤光栅长度, $-\frac{L}{2}\le z\le \frac{L}{2}.$

光纤芯层中的折射率分布可以表示为

$n(z)=n{}_0+\delta n(z)\left[1+\cos \left(\frac{2\text{π}}{\Lambda {}_0}{\rm Z}\right)\right](3)$

式中, n0为光纤芯层折射率;$\delta n(z)=\delta n\exp \left(-\frac{z}{L{}^2}\right)$为折射率分布切趾函数;δn为光纤光栅折变量;Λ0为光栅周期.取n0=1.458, δn=0.002, L=16 000 μm, Λ0=0.535 0 μm.

当光纤光栅受到拉力F作用时, 会沿着光栅的轴向产生一横向应变ε (z) , 二者之间的关系可表示为

$\epsilon (z)=\frac{F}{EA(z)}(4)$

式中, A (z) 为光栅的横截面积;E为光纤的杨氏模量.当F不变时, ε (z) 随A (z) 的增大而减小.当ε (z) 很小时, 如果忽略n (z) 随ε (z) 的变化, 则光栅的周期Λ沿光纤轴向会发生变化, 可以表示为

Λ (z) =Λ0[1+ε (z) ] (5)

将式 (1) 和式 (4) 带入式 (5) 可得

$\Lambda (z)=\Lambda {}_0\{1+\frac{F}{\text{π}Er{}_0^2}[1+g(1+f(z))]\}(6)$

光纤光栅的啁啾系数可以表示为

$c=\frac{F}{\text{π}Er{}_0^2}[1+g(1+f(z))](7)$

式 (7) 表明, 光纤光栅的啁啾系数与施加的拉力成正比.图2给出了施加拉力时F=1.0 N, 光栅周期沿光纤轴线的分布, 其中g=0.1.

采用传输矩阵算法, 对正弦函数型结构的光纤光栅的传输特性进行了分析.首先, 给出当拉力F=1.0 N时光栅的反射谱, 如图3中的实线所示, 该结构的光栅反射谱为理想箱型.为了比较, 同时给出了相同参数的线性啁啾光纤光栅的反射谱, 如图3中虚线所示.由图3可以看出, SEFG结构的光栅其反射谱的边缘陡峭程度要远远高于线性啁啾光栅.

图4给出的是施加不同拉力的情况下, SEFG光栅所对应的反射谱.由图4可以看出, 随着拉力的增大, 光栅反射谱的中心波长向长波方向移动;同时其反射谱带宽也变大, 即光栅的反射谱对拉力较为敏感.这是因为, 当施加到光栅上的拉力较大时, 其在光栅上产生的应变也较大, 由应变引起的光栅周期即光栅的啁啾系数也同时变大, 最终导致了光栅反射谱的带宽增大及中心波长向长波方向移动.利用对拉力的敏感性, 可以将该结构的光纤光栅应用于拉力传感器, 也可以对光栅施加不同的拉力对光栅反射谱进行调整, 得到实际需要的反射谱.

2 结 论

利用传输矩阵理论对正弦包层结构的光纤光栅传输特性进行了分析, 与线性啁啾光栅相比, 在施加一定拉力的情况下, 该结构的光栅具有理想箱型的反射谱, 边缘陡峭度高.随着施加拉力的增大, 光栅的反射谱中心波长将向长波方向移动, 且反射带宽增大.

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微结构光纤 篇7

传统的光纤传感器大部分都是光强型和干涉型的[1]。前者的信息读取是依靠测量光强大小,因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。后者的信息读取是观察干涉条纹的变化,这就要求干涉条纹清晰,而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等,使光纤光路灵活和连接方便等优点大打折扣。而且它必须要有一个固定参考点,这样就给光纤传感器的应用带来了难度。

光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外,还有一些明显优于光纤传感器的地方[2,3,3,4]。其中最重要的就是它的信号为波长调制,这一传感机制的好处在于:

(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响;

(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要,能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串联多个布喇格光栅进行分布式测量;

(3)另外,光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨力和大范围测量,光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构的理想器件。因此自1989年首次报导将光纤光栅用作传感以来,受到了世界范围广泛重视,并且已经取得了持续和快速的发展。

随着光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating FBG)制作工艺的不断提高,特别是FBG自动化生产平台的建立,制作出高性能、低成本的可靠FBG已经成为可能。同时近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟,已经扩大了光纤布喇格传感器的应用,并为职能传感这一新思路创造了一个新的机遇。

2 光纤光栅传感器的基本原理

由耦合波理论可得,当满足相位匹配条件时,光栅的布喇格波长为

λB=2neffΛ (1)

式中,λB为布喇格波长;neff为光纤传播模式的有效折射率,Λ为光栅周期。

布喇格波长的峰值反射率和透射率为

$R=\tan h{}^2\left(\frac{\text{π}\text{Δ}n{}_{\max }}{\lambda {}_{\text{B}}}L\right),{\rm T}=\cos h\left(\frac{\text{π}\text{Δ}n{}_{\max }}{\lambda {}_{\text{B}}}L\right)(2)$

式中,Δnmax是折射率最大变化量,L是光栅长度。可以看出,Δn越大,反射率越高,反射谱宽越宽;L越大,反射率越高,反射谱宽越窄。

当一宽谱光源入射进入光纤后,经过光纤光栅会有波长为式λB=2neffΛ的光返回,其它的光将透射,反射的中心波长信号λB与光栅周期Λ、纤芯的有效折射率n有关。所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说,光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为

$\frac{\text{Δ}\lambda {}_{\text{B}}}{\lambda {}_{\text{B}}}=(\partial {}_f+\xi )\text{Δ}{\rm T}+(1-{\rm P}{}_e)\text{Δ}\epsilon (3)$

式中,$\partial {}_f=\frac{1\text{d}\Lambda }{\Lambda \text{d}{\rm T}}$为光纤的热膨胀系数,$\xi =\frac{1\text{d}n}{n\text{d}{\rm T}}$为光纤材料的热光系数;${\rm P}{}_e=-\frac{1\text{d}n}{n\text{d}\epsilon }$为光纤材料的弹光系数。在1 550 nm窗口,中心波长的温度系数约为10.3 pm/℃,应变系数为1.209 pm/με。如果将FBG封装在温度增敏材料中,可以提高它的温度系数灵敏度,进而得到更大的测量精度。

2.1 光纤光栅系统的组成

光纤布喇格光栅传感器的基本原理,如图1所示,其中包括宽谱光源(如面发光二极管SLED或放大自发辐射光源ASE等)将有一定带宽的光通过光耦合器或者光环行器入射到光纤光栅中,由于光纤光栅的波长选择性作用,符合条件的光被反射回来,再通过耦合器或者环行器送入解调装置测出光纤光栅的反射波变化。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力等被测量时,光栅自身的折射率或栅距发生变化,从而引起反射波长的变化,解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力等值。

2.2 光纤光栅传感网络的波分复用技术

光纤光栅传感器是对布喇格反射波长进行编码,因此使用光纤光栅数组的优点之一就是光纤光栅单元可以通过波长分辨[5]。当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时,将导致光栅周围或纤芯折射率的变化,从而产生光栅布喇格信号的波长位移。通过检测布喇格波长位移情况,即可获得待测量的变化情况。光栅布喇格发射信号的带宽约为0.3 nm。因此,最简单的想法是在光源的可用波长范围内,给每一个传感光栅都分配一个独特的波长区间,利用宽带光源照射同一根光纤上多个中心反射波长不同的布喇格光栅,使各个光栅的反射峰在各自的波长区间内变化。最后用光谱仪或者其它方法检测出所用光栅的复用光谱,根据预先划定的区间从中找出各个光栅的波长漂移值,从而实现多个布喇格光栅的复用,这就是波分复用的思想。波分复用是FBG传感网络的最直接的复用技术,至今已有不少报道,它是构成各种复杂和大型网络最基本的复用技术。如图2所示,给出了最基本的波分复用系统的原理图。

波分复用网络能复用的FBG传感器数量,主要取决于光源的光谱宽带和待测物理参量的动态范围。 例如,若光源光谱带宽为50 nm,待测应变的变化范围为±1 500 με,即光纤光栅反射谱中心波长相应的移动范围为±1.5 nm,各光栅间的中心波长间隔应该≥3 nm,则该网络最多可复用16个传感器。若应变动态范围增大,相应地可复用的传感器数量将减少。

而光源光谱的宽度,既取决于光源本身,也取决于光纤本身的损耗特性。例如,光纤中的OH-离子会在光谱的1.73 μm处产生非常明显的吸收峰,而光纤对1.7 μm以上的紫外光以及1 μm以下的红外光也都有非常强的吸收。对于较长的传输光纤,这种吸收的损耗影响很大,对信号产生很大的衰减。因此,一般使用的光源会避开上述波长,光源光谱的宽度不是无限宽,网络上可以复用的传感器也有数量限制。

3 光纤光栅传感器用于结构应变检测布喇格衍射的条件为

λ=2nΛ (4)

式中,λ是反射光波长,Λ是栅距,n是纤芯的有效折射率。光纤产生应变时,光纤光栅的栅距和折射率发生变化,引起后向反射光波长移动,因此有

$\frac{\text{Δ}\lambda }{\lambda }=\frac{\text{Δ}\Lambda }{\Lambda }+\frac{\text{Δ}n}{n}(5)$

式中,Δn是折射率的变化,ΔΛ是栅距变化。

首先,光纤产生应变时的折射率变化

$\text{Δ}n/n=-\frac{1}{2}n{}^2[(1-\mu ){\rm P}{}_{12}-\mu {\rm P}{}_{11}]\epsilon =-{\rm P}\epsilon (6)$

其中

${\rm P}=\frac{1}{2}n{}^2[(1-\mu ){\rm P}{}_{12}-\mu {\rm P}{}_{11}](7)$

ε是轴向应变,μ是泊松比。对于典型的石英光纤有n=1.46,μ=0.16,P11=0.12,P12=0.27,则P=0.22。假设

ΔΛ/Λ=ΔL/L=ε (8)

则式(5)可以写为

Δλ/λ=(1-P)ε=0.78 ε (9)

上述公式是光纤光栅应变测量的一般公式。

4 利用悬臂梁的位移应变传感器的设计

在实际应用中,把光纤光栅粘贴到悬臂梁结构上,通过测量悬臂梁不同点上应变的换算得到实际的应变和位移的结果。如图3所示,左侧为被测物体,该物体通过一个突出物作用于竖直放立的悬臂梁,而光纤布喇格光栅粘贴其上,这样就可以通过悬臂梁把被测物体的位移转变为光纤光栅的应变了。图3中光源是发光二极管(LED),接受装置是光谱分析仪(OSA),光耦合器的分光比为1∶1[6,7]。

如果将光纤光栅粘于悬梁臂上考察点x0处,则应变εx引起的光纤光栅布喇格波长移动ΔλB为

$\frac{\text{Δ}\lambda {}_{\text{B}}}{\lambda {}_{\text{B}}}=(1-p{}_e)\epsilon {}_x(10)$

而根据力学知识可推导出

$\epsilon {}_x=\frac{3(L-x)hv}{2L{}^3}(11)$

其中,L为悬梁臂的长度,h为梁的厚度,x为距固定端的距离,v为梁距其原来位置的挠度。把式(11)代入式(10),可以得到

$\frac{\text{Δ}\lambda {}_{\text{B}}}{\lambda {}_{\text{B}}}=(1-p{}_e)\frac{3(L-x{}_0)hv}{2L{}^3}(12)$

由式(12)可知,光纤光栅的布喇格波长的移动ΔλB与悬梁臂自由端的应变量v成线性关系,由此可以得到所测部位的应变量。

5 结束语

由于光纤光栅传感器具有其他光纤传感器没有的特点,即波长调制,这个特点使它的测量精确的大大提高,避免了很多误差的计算,是目前最有前途的传感器之一。文中设计出对位移测量的力学模型,利用模型推导出物体形变和布喇格波长变化的关系,如果在此基础上再补充其分布式测量和解调的应用[8],就可以形成一套完善的理论方案。

摘要：分析了光纤光栅传感的优势及其系统组成,它采用波长调制,与光强调制和干涉调制相比,检测结果更加精确。同时利用波分复用等技术,串联多个布喇格光栅进行准分布式监测,对智能化建筑的实现很有帮助,并具体应用到一种力学模型—悬臂梁。

关键词：光纤光栅传感,结构应变检测,悬臂梁

参考文献

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[2]廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.

[3]赵仲刚.光纤通讯与光纤传感[M].上海:上海科学技术文献出版社,2004.

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[6]Inaudi D,Vurpillot S,Ldd E.Long-gauge Structural Monitoring for Civil Structures[C].SPIE,1998,3489:93-100.

微结构光纤 篇8

关键词：土木工程,光纤传感器,应用探讨

1. 前言

在国际上智能结构系统逐渐成为近年来的一个新兴前沿多学科交叉研究领域, 主要是在基体材料融合仿生命功能材料, 使其结构具有智能功能。智能结构将传感与控制系统相集成, 可实现自我感知、诊断及调节, 进而使结构能够恰当反应变化的内部状态和外部环境激励。传感系统在智能结构中与人体神经元相当, 执行系统与肌肉相当, 控制系统与大脑相当, 这与传统工程结构的生命特征相符。目前, 智能结构研发应用备受世界关注, 并在八九十年代相继开展了很多的基础研究及应用。

2. 土木工程结构监测

土木工程结构及重大基础设施设计通常都需要较长的基准期, 使用较为恶劣的环境, 因此在应用过程中, 受疲劳效应、环境荷载及老化的腐蚀材料等因素的不利影响, 结构将难免受到积累损伤与衰减抗力, 严重的还将引发灾难性突发事故。为此, 需要土木工程结构具有示警或对失事进行感知的智能功能, 进而在失事前利用感知系统对结构内部状态变化进行感知, 以便及时作出预警或自动加固结构及修复, 以及时修复结构中潜在问题。如同人骨折后, 将骨缝对好, 断骨结合将自愈合的功能。

土木工程结构和重大基础设施通常跨度长、体积大、分布面广且使用较长时间, 传统传感器件构成的监测系统在性能耐久稳定、分布范围等方面还有待于不断完善以适应工程所需。所以, 针对土木工程结构特点研制的智能型传感系统应具有感知材料高性能、灵敏稳定等特点, 以达到诊断评定大型土木工程结构的实际需求。

3. 光纤传感器

常用传感材料在智能结构系统中主要采用光导纤维及形状记忆合金等材料, 因光导纤维材料柔韧、具有较低价格、较细直径、较小体积和能耗、较高灵敏度、较轻质量、较强抗电磁干扰能力、耐高温、抗腐蚀、检测方便、信息传输和传感集于一体等优点, 智能结构系统中被认为是一种首选传感材料, 并在土木工程结构中广泛应用。在土木工程结构中将光纤传感器埋入, 利用对光强、相位等传输特性的分析, 可获得光纤周围材料的有关参数变化, 进而实现实时、动态监控土木工程结构的健康状态, 为人工智能和神经网络技术的应用打下坚实基础。

光纤在传感器中一般都是由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套构成。纤芯及包层的折射率不同, 树脂涂层具有保护作用, 尤其是混凝土中埋入光纤时, 可避免光纤收到环境侵蚀。而应变传感器因树脂一般都具有较低的弹性模量, 影响混凝土应变传向光纤, 所以应采用较薄的涂层, 或具有较大弹性模量的树脂。光纤塑料护套保护光纤使其在混凝土中便于埋入, 并实现传感的分布式和复用传感器。

光纤传感器一般可分为本征和非本征传感器两种。在本征传感器中, 光纤受外界待测量作用而引起参量变化, 进而调制光纤中传播的光波参量, 再将调制信号利用光探测器和检测电路向电信号转换。光纤作为敏感元件具有传感光的作用, 也被称为功能性光纤。在非本征传感器中, 只利用光纤传光功能, 将其它类型敏感元件和装置外配, 因此属非功能性光纤传感器。在检测诊断土木工程结构中, 这两种光纤传感器的应用前景都比较广。

4. 国内外光纤传感器的研究及应用

美国布朗大学的门德斯等人于1989年首先提出在混凝土结构中采用光纤传感器进行健康检测。随后, 加拿大、英德等国研究人员也相继在土木工程中开展了光纤传感系统的应用研究工作, 比较突出的就是美国韦尔蒙特大学的研究成果。我国也有很多科研机构开展了有关研究工作, 以重庆大学等单位的研究成果为主要代表。尤其是提高近年来的研究, 在桥梁、建筑结构、水坝等大型土木工程结构中埋入光纤传感器的报道不断涌现, 主要用于对结构的应力、应变及损伤等情况的检测, 并获得良好结果。诸如因桥梁结构一般具有较大跨度, 因此桥梁结构安全备受关注。所以在此也相继投入较多的研究力量, 取得较为突出的研究成果。主要思路是将光纤传感器埋入或粘贴在桥梁结构, 通过对光纤传感系统对桥梁荷载及其在荷载作用下效应的检测, 实现对桥梁结构安全性的科学客观评价。

1989年, 在美国州际公路桥上将光纤振动传感器粘贴路桥结构上用于对桥共振频率的检测;1992年, 德国一城市将光纤传感器埋入桥梁上下表面用于对桥梁应变、裂缝及腐蚀情况的检测, 从而对桥梁安全状况进行评估;1994年, 德国在柏林市区将光纤干涉应变传感器粘贴在一桥梁的钢筋上, 用来对钢筋在车辆通过时发生变形和振动情况的测量;之后, 又建成第一座采用预应力碳纤维复合材料和钢筋结构的桥梁, 将光纤布拉格光栅应变传感器加入碳纤维中, 用于对损失碳纤维预应力的检测。美国曾将约6.5公里长的光纤埋入水电大坝中, 用于对水坝振动、坝面水压力和流速的检测。充分利用互联网资源共享功能, 任一国家都充分利用大坝光纤传感系统数据文件, 对水坝安全状态等开展深入探讨, 这都可能是未来土木工程结构状态信息处理的发展趋势。

5. 土木工程结构中光纤传感技术的发展前景

在传统土木工程结构中应用智能材料结构系统进行健康检测诊断还处于一个新型研究领域, 它将主要采用人工目视检查的手段彻底改变, 使检测技术实现自动化。但因受过去相关研究工作基础所限, 而且在土木工程结构中难以研究其传感原理, 传感及数据处理系统经济性等问题也在一定程度上影响该领域的研究工作。但随着基础研究的深入开展, 选择适宜的检测参数, 在土木工程结构中应用光纤传感材料与系统具有比较广阔的前景, 这对传统土木工程学科带来难得的机遇, 也必将产生客观的经济社会效益。

参考文献

[1]黄尚廉.智能材料系统与结构——工程构造安全监控的一条崭新思路[J], 世界科技研究与发展, 2010.8

[2]WOLFF R, PHILIPP M, URS S.Application and reliability of a fiber optical surverllance system for a stay cabie bridge[J], Smart Materials&Structures, 2011.6

微结构光纤 篇9

光纤光栅可分为两类，即FBG(光纤布拉格光栅)和LPFG(长周期光纤光栅)。通过紫外激光曝光，光纤纤芯的折射率会发生周期性变化，形成FBG，它的调制周期小于1"m，而LPFG的调制周期大约是100～1 000"m[1]。在光纤的相同位置双重写入FBG和LPFG[2]，可以形成SFG(超结构光纤光栅)。其中存在两种重要耦合，分别是前向基模与反向基模之间的耦合、基模与同向包层模之间的耦合。对应的耦合方程具有两点边界条件，采用四阶Runge-Kutta解法是十分困难的。本文对耦合方程采用相似变换方法，研究了应变梯度和温度梯度对SFG透射谱和反射谱的影响[3]。

1 计算方法

在单模光纤的相同位置双重写入一个FBG和一个LPFG，可以形成一个SFG。总折射率微扰可以表示为

其中，式中，Δn10和Δn20是折射率微扰的“直流”分量;η1和η2表示折射率微扰的可见度(数值计算中一般选择η1=η2=1.0);ΛB和ΛS分别是FBG和LPFG的周期;φB(z)和φS(z)表示附加相位，依赖于光栅上应力和温度的变化量。

直到一阶近似，SFG上的应变分布可以写为ε(z)=ε0+ksz，式中，z#[0,L],L为光栅长度，ε0为z=0处的应变，ks为应变梯度。相似地，SFG上的温度分布可以表示为ΔT(z)=ΔT0+ktz，ΔT0为z=0处的温变，kt为温度梯度。而FBG和LPFG的附加相位分别记为φB(z)和φS(z)[4]。当SFG经历应变或温变时，纤芯和包层的前向基模和反向基模的振幅满足以下耦合模方程：

式中，Aco和Bco分别是前向基模和反向基模的振幅;Acl是前向包层模的振幅;$co和$S是失谐参数。耦合系数κco和κS分别描述前向基模与反向基模之间的耦合、以及基模与同向包层模之间的耦合，它们依赖于Δn10、Δn20和其他光纤参数[1,5]。

用z0和zf分别标记SFG的始点和终点坐标，L为光栅长度，且L=zf-z0,z∈[z0,zf]，耦合模方程(2)～(4)的解可用矩阵表达为

其中，

令z=zf，从式(6)可得到Q(zf,z0)。对于SFG，矩阵Q(zf,z0)有3个特征向量v1、v2、v3，相应的特征值为h1、h2、h3。记V=[ν1，ν2，ν3],H是特征值h1、h2、h3组成的对角矩阵，则

进一步地，从公式(5)可以得到

由此可以得到透射强度|Aco(zf)|2和|Acl(zf)|2以及反射强度|Bco(z0)|2。

2 计算结果与分析

单模光纤的参数为：纤芯半径a1=4.15"m，包层半径a2=62.5"m，纤芯折射率n1=1.532 1，包层折射率n2=1.526 5，空气折射率n3=1.0。FBG的周期和长度分别是%B=469nm和LB=2mm;LPFG的周期和长度分别是ΛS=390μm和LS=20mm。据此，可以得到纤芯基模的有效折射率ncoeff和七阶包层模的有效折射率ncleff,7与波长的关系，如图1所示。

首先，我们探讨应变对SFG透射光谱和反射光谱的影响。图2给出了初始应变ε0=0时，不同的应变梯度ks(0,1.0,2.0)&10-10/nm下SFG的透射谱和反射谱。通过一系列的模拟，可以得到FBG反射谱的中心波长漂移为

对于LPFG的ν阶包层模，波长漂移Δ’ν为

在共振波长7=1 452.0nm处，可以得到d7/dε=5.17nm/mε。

然后，我们探讨温度变化对SFG透射光谱和反射光谱的影响。当初始温变ΔT0=0时，图3所示为不同温度梯度kt(0、10、20)&10-6℃/nm下SFG的透射谱和反射谱。FBG反射谱的中心波长的漂移为

对于LPFG的ν阶包层模，波长漂移Δν为

在共振波长’7=1 452.0nm处，可以得到d7/dT=0.052 7nm/℃。分析结果与模拟结果一致。

3 结束语

用矩阵的相似变换方法可以有效地求解SFG的多重耦合方程。模拟结果表明，SFG在应变梯度或温度梯度的作用下，其反射谱和包层模的透射谱按确定规则独立漂移，据此可以同时求出光栅所在位置的应变梯度或温度梯度。

摘要：对由FBG(布拉格光纤光栅)和LPFG(长周期光纤光栅)构成的SFG(超结构光纤光栅),采用耦合模方程的相似变换解法,研究了应变梯度和温度梯度对SFG的透射谱和反射谱的影响。模拟结果表明,SFG在应变梯度或温度梯度的作用下,其反射光谱和ν阶包层模的透射光谱按确定规则独立漂移,据此可以同时求出光栅所在位置的应变和应变梯度,或温度和温度梯度。

关键词：超结构光纤光栅,耦合模理论,应变,温变

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