多模光纖光柵溫度特性

光纖光柵溫度特性分析光纖光柵反射光的布拉格波長(zhǎng)λB滿足如下公式：λB=2neff*Λ（1），式中Λ為光柵的周期，neff為光線的固有折射率。當(dāng)光柵的溫度發(fā)生變化時(shí)。光柵的折射率和光柵的周期都會(huì)放生變化，從而形成了一個(gè)新光柵的折射率和周期，似的原來(lái)的光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)發(fā)生漂移。布拉格波長(zhǎng)也隨溫度的變換的關(guān)系如下：?λ=（α+ξ）*?T*?λB（2）

溫度靈敏度公式：?λ/?T=（α+ξ）*λB（3）?λ表示溫度變化造成的λB漂移溫度，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，描述光柵的有效折射率隨溫度的變化；?T溫度變化量。Δλ與ΔT之間呈現(xiàn)線性關(guān)系,通過(guò)測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)Δλ,便可確定光柵外的環(huán)境溫度。對(duì)于石英光纖通常α為0.55×10-6℃-1,ξ為7×10-6℃-1,通過(guò)計(jì)算得到布拉格波長(zhǎng)為1310nm多模光纖光柵的溫度靈敏度為0.01nm/℃。多模光纖光柵的反射波為多峰結(jié)構(gòu),并滿足下列關(guān)系[4,8]:

β=2πλn11-4ΔN+1V,(4)β為傳播常量;n1為芯徑的折射率;Δ為相對(duì)折射率之差;N為主模的階數(shù);ν為歸一化頻率(ν=2παNA/λ)。(4)式根號(hào)中第二項(xiàng)比1小得多,數(shù)值孔徑NA=n12Δ,當(dāng)滿足布拉格條件時(shí)有β=π/Λ。通過(guò)對(duì)(4)式進(jìn)行微分化簡(jiǎn)整理后可得到對(duì)摻鍺的石英光纖dn1/dT和dn2/dT在波長(zhǎng)為589nm時(shí)為1×10-5℃-1。熱膨脹系數(shù)α=(dΛ/dT)/Λ為0.55×10-6[1,9]。參照以上數(shù)據(jù),可得到(5)式右邊第一項(xiàng)要比第二項(xiàng)和第三項(xiàng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明對(duì)溫度靈敏度的影響受折射率的變化要比熱膨脹顯著。文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)的方程計(jì)算得到溫度靈敏度dλ/dT隨N的變化最大不超過(guò)1.3%。本文對(duì)(4)式重新進(jìn)行推導(dǎo)得到方程(5)式,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到溫度靈敏度dλ/dT隨N的變化最大不超過(guò)0.07%。因?yàn)檫@些值很小,所以各模式反射波的溫度靈敏度幾乎是一樣的,即多模光纖光柵的多個(gè)反射峰的布拉格波長(zhǎng)隨溫度變化的漂移幅度是相同的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)飛光纖光纜公司生產(chǎn)的漸變型多模光纖,纖芯直徑為50μm,數(shù)值孔徑為0.2,包層直徑為125μm。為了提高多模光纖的光敏性,將多模光纖置于氫氣高壓器中,在常溫下滲氫(載氫)兩周。我們采用相位掩模板復(fù)制法制作多模光纖光柵,寫(xiě)入光柵的紫外光源為波長(zhǎng)248nm的準(zhǔn)分子激光器(德國(guó)LambdaPhysik公司的COMPEX150T型)。多模光纖光柵寫(xiě)好后在80℃溫度下退火48h就得到實(shí)驗(yàn)用的多模光纖光柵。溫度傳感特性的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。光源為1300nm的超發(fā)光二極管(SLED),型號(hào)為5S423,帶寬為50nm左右,功率為100μW;OSA(Opticalspectrumanalyzer)為AQ26317B光譜儀,波長(zhǎng)分辨率設(shè)置為0.05nm。光纖布拉格光柵置于恒溫控制箱中。光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)光分路器(coupler)耦合進(jìn)多模光纖光柵,光柵反射回來(lái)的光再經(jīng)過(guò)光分路器傳輸?shù)紸Q26317B光譜儀進(jìn)行反射數(shù)據(jù)檢測(cè);或者從光纖光柵的另一端直接接入光譜儀,進(jìn)行透射數(shù)據(jù)檢測(cè)。SLEDcouplerOSAFBGFig.1Schematicdiagramofmeasurementtemperature.SLED:superluminescentdiode實(shí)驗(yàn)中,將19℃作為溫度起點(diǎn),控制恒溫箱的溫度,使箱內(nèi)溫度逐漸升高,溫度每升高10℃讓恒溫控制箱溫度恒定,分別測(cè)量透射圖譜與反射圖譜,并記下三個(gè)反射峰的布拉格波長(zhǎng),恒溫箱的溫度控制范圍19～200℃。由反射圖譜測(cè)得的三個(gè)反射峰的布拉格波長(zhǎng)和透射測(cè)得的三個(gè)反射峰的布拉格波長(zhǎng)基本相同,故本文只采用透射圖譜的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Fig.2TransmissionspectrumofFBGatdifferenttemperature.(a)T=19℃,(b)T=200℃Fig.3TansmissionspectrumofFBGatdifferenttemperature.(a)T=19℃,(b)T=200℃從圖2、圖3中可以看出:每一多模光纖光明顯的3個(gè)反射峰,其中1#多模光柵反射峰1、2、3的布拉格波長(zhǎng)分別由1310.26nm、1309.66nm、1309.14nm變?yōu)?312.00nm、1311.46nm、1310.94nm,相同溫度下,各反射峰之間的間隔基本為0.5nm;2#多模光柵反射峰1、2、3的布拉格波長(zhǎng)分別由1310.42nm、1309.90nm、1309.38nm變?yōu)?312.20nm、1311.64nm、1311.12nm,相同溫度下,各反射峰之間的間隔基本為0.5nm。圖4中各種點(diǎn)標(biāo)記為原始數(shù)據(jù)所做的曲線圖,直線為擬合曲線,可以看出所作的擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)重合,某些微小偏差,可能是由于箱門(mén)密封性不好,測(cè)譜時(shí)箱內(nèi)溫度場(chǎng)還沒(méi)有達(dá)到熱平衡所致。從圖4中所作的擬合曲線的公式可以看到1#多模光柵3個(gè)反射峰的溫度靈敏度分別為0.0098nm/℃、0.0099nm/℃、0.0099nm/℃;2#多模光柵3個(gè)反射峰的溫度靈敏度為0.0098nm/℃、0.0099nm/℃、0.0099nm/℃,即每個(gè)峰平均每升高1℃向長(zhǎng)波方向漂移約10pm(0.01nm)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與根據(jù)光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)計(jì)算得到的結(jié)果0.01nm/℃很吻合,這表明各反射峰隨溫度的升高向長(zhǎng)波方向漂移的幅度相同。這與多模光纖光柵的溫度特性理論中各反射峰的溫度關(guān)系分析一致。從擬合曲線可知各反射峰隨溫度的變化都呈良好的線性關(guān)系,并且1#多模光柵與2#多模光柵的溫度靈敏度基本相同,而且多次進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn),多模光柵的溫度靈敏度為0.0098nm/℃,可以看出多模光柵的重復(fù)性相當(dāng)好。Fig.4TemperatureresponsecurveofFBG.(a)1#grating(equationofeachpeakλ1=0.0098X+1310,λ2=0.0099X+1309.5,λ3=0.0099X+1308.9),(b)2#grating(equationofeachpeakλ1=0.0098X+1310.2,λ2=0.0098X+1309.7,λ3=0.0099X+1309.1)

1#退火后的波長(zhǎng)為1310.26nm,而進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)后的波長(zhǎng)為1310.08nm。2#光柵退火后的波長(zhǎng)為1310.42nm,經(jīng)過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)后測(cè)的常溫下的布拉格波長(zhǎng)為1310.26nm,與進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)前的波長(zhǎng)相比漂移了約0.2nm。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,若要將光纖光柵作為高溫傳感器使用時(shí),應(yīng)先進(jìn)行高溫退火處理。結(jié)論本文對(duì)布拉格波長(zhǎng)為1310nm的多模光纖光柵的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,表明多模光柵的布拉格波長(zhǎng)隨溫度的變化呈現(xiàn)良