劉超　孫祺　柴雅婷等

摘要： 傾斜光纖光柵作為一種特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，近年來受到了研究人員的廣泛關(guān)注?；谀Ｊ今詈侠碚摚抡嫜芯苛斯鈻胖芷趯A斜光纖光柵透射譜的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間存在良好的線性關(guān)系。利用這一結(jié)論可提高傾斜光纖光柵在應變測量中的靈敏度和檢測精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)單光纖多測量的目的。

關(guān)鍵詞： 傾斜光纖光柵（TFBG）； 透射譜； 周期； 理論仿真

中圖分類號： TN 253； TP 212.14文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.012

引言

傾斜光纖光柵（tilted fiber Bragg grating，TFBG）由于其柵平面與光纖橫截面成一夾角的特殊結(jié)構(gòu)，使其能夠?qū)⒗w芯模式耦合到包層中，形成一系列反向傳播的包層模式。將傾斜光纖光柵這一特性應用于傳感領(lǐng)域中，可提高傳感器靈敏度，解決長周期光纖光柵固有的交叉敏感問題[1]，且可以結(jié)合數(shù)據(jù)融合的方法實現(xiàn)單一光纖同時多測量的目的，傾斜光纖光柵在眾多領(lǐng)域中顯示出了廣闊的應用前景[25]。光纖布拉格光柵作為應變傳感器的方法已有報道[67]，但僅依靠測量光纖中心波長得到的應變測量結(jié)果誤差略大，且只能完成單一測量。研究表明，傾斜光纖光柵的柵周期的微小變化對其透射光譜有較大影響[8]。本文用傾斜光纖光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖布拉格光柵并將其固定在待測物體上，因沿纖芯軸線方向的應變會引起光纖的長度的變化，進而使光柵周期發(fā)生改變，通過傾斜光纖光柵透射譜的變化反映出光柵周期的細微變化，達到測量應變的目的。該方法基于透射譜中纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間的對應關(guān)系，采用新的思路研究不同光柵周期對傾斜光纖光柵透射譜的影響，并闡明其變化規(guī)律，為新型傾斜光纖光柵傳感器的實際應用提供了理論依據(jù)。

1基本原理

傾斜光纖光柵是一種新型光無源器件，其柵平面與光纖軸向存在一定的夾角，這一結(jié)構(gòu)特點使得傾斜光纖光柵能夠?qū)⒗w芯模式耦合進入包層傳播。傾斜光纖光柵中的模式耦合主要包括纖芯模之間的耦合、纖芯模與包層模之間的耦合以及纖芯模與輻射模之間的耦合。傾斜光纖光柵的典型結(jié)構(gòu)及傳光機理如圖1所示，圖中

，Λg為傾斜光纖光柵的光柵周期。

2仿真結(jié)果與討論

基于傾斜光纖光柵傳感的基本原理及上述應變傳感測量方法，對傾斜光纖光柵進行系統(tǒng)的理論仿真，設(shè)置仿真參數(shù)如下：纖芯折射率為1.460，包層折射率為1.450，布拉格中心波長為1.55 μm，纖芯直徑為2 μm，包層直徑為60.5 μm，光柵傾角為8°，耦合模式數(shù)為20。由于傾斜光纖光柵的特殊結(jié)構(gòu)，使透射譜中不僅存在纖芯導模諧振峰，還存在由光柵傾角導致的前向傳播纖芯模耦合到包層中的大量的包層模諧振峰。圖2為光柵周期為0.526～0.530 μm時傾斜光纖光柵透射光譜圖，由圖可以清楚地看出：隨著光柵周期的逐漸增大，透射譜的纖芯導模中心波長發(fā)生紅移，各包層模也同時向長波方向漂移。

僅根據(jù)纖芯導模諧振峰位中心波長作為傳感參數(shù)的傳統(tǒng)光纖光柵測量方法，靈敏度和測量精度都受到了限制，且大多只能進行單一光纖測量單一參量。通過對各光柵周期透射譜進行深入研究發(fā)現(xiàn)，纖芯導模LP0，1中心波長諧振峰位與包層模LP0，20諧振峰位的波長差Δλ，可以用來衡量包層模諧振峰的偏移情況，從而作為傳感器檢測參量以達到提高傳感器靈敏度的目的。并且通過取用不同的包層模，可以達到同時測量多個參量或同時得到多組測量數(shù)據(jù)的目的。因此基于上述方法對傾斜光纖光柵周期和波長差進行了進一步研究，其中，傾斜光纖光柵周期、纖芯導模LP0，1中心波長、包層模LP0，20波長與波長差的對應關(guān)系如表1所示。

3結(jié)論

傾斜光纖光柵作為一種新型光無源器件在諸多傳感領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位，尤其在測量應變等方面更有廣闊的應用前景。本文基于模式耦合理論，通過仿真研究得出傾斜光纖光柵透射譜中纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間存在良好的線性關(guān)系，將其與相同條件下的光纖布拉格光柵進行對比，發(fā)現(xiàn)傾斜光纖光柵周期與波長差的線性擬合度更好。利用這一特點將傾斜光纖光柵應用到應變測量的領(lǐng)域中，能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜光纖光柵傳感器的高靈敏度測量，且可利用不同模式與纖芯導模的波長差為檢測參數(shù)可達到同時測量多組數(shù)據(jù)的目的，大大提高了傳感器的測量精度。

參考文獻：

[1]CAUCHETEUR C，BETTE S，CHEN C，et al.Tilted fiber Bragg grating refractometer using polarizationdependent loss measurement[J].IEEE Photon Technol Lett，2008，20（24）：21532155.

[2]CHEN X F，ZHOU K M，ZHANG L，et al.Optical chemsensor based on etched tilted Bragg grating structures in multimode fiber[J].IEEE Photon Technol Lett，2005，17（4）：864866.

[3]LEE K S，ERDOGAN T.Fiber mode coupling in transmissive and reflective tilted fiber gratings[J].Applied Optics，2000，39（9）：13941404.

[4]張衛(wèi)華，童崢嶸，苗銀萍，等.基于數(shù)據(jù)融合的傾斜光纖光柵應變測量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（8）：103105.

[5]付華，蔡玲.基于數(shù)據(jù)融合的傾斜光纖光柵溫度測量[J].壓電與聲光，2011，33（6），887889.

[6]牟海維，劉文嘉，孔令富，等.光纖持氣率計在氣/水兩相流中響應規(guī)律的實驗研究[J].光學儀器，2012，34（5）：6669.

[7]牟海維，段玉波，張坤，等.光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究[J].光學儀器，2011，33（6）：5861.

[8]DONG X Y，ZHANG H，LIU B，et al.Tilted fiber Bragg gratings：principle and sensing applications[J].Photonic Sensors，2011，1（1）：630.

[9]胡德波.傾斜光纖光柵表面等離子體共振生物傳感器[D].濟南：山東大學，2011.

摘要： 傾斜光纖光柵作為一種特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，近年來受到了研究人員的廣泛關(guān)注?；谀Ｊ今詈侠碚摚抡嫜芯苛斯鈻胖芷趯A斜光纖光柵透射譜的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間存在良好的線性關(guān)系。利用這一結(jié)論可提高傾斜光纖光柵在應變測量中的靈敏度和檢測精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)單光纖多測量的目的。

關(guān)鍵詞： 傾斜光纖光柵（TFBG）； 透射譜； 周期； 理論仿真

中圖分類號： TN 253； TP 212.14文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.012

引言

傾斜光纖光柵（tilted fiber Bragg grating，TFBG）由于其柵平面與光纖橫截面成一夾角的特殊結(jié)構(gòu)，使其能夠?qū)⒗w芯模式耦合到包層中，形成一系列反向傳播的包層模式。將傾斜光纖光柵這一特性應用于傳感領(lǐng)域中，可提高傳感器靈敏度，解決長周期光纖光柵固有的交叉敏感問題[1]，且可以結(jié)合數(shù)據(jù)融合的方法實現(xiàn)單一光纖同時多測量的目的，傾斜光纖光柵在眾多領(lǐng)域中顯示出了廣闊的應用前景[25]。光纖布拉格光柵作為應變傳感器的方法已有報道[67]，但僅依靠測量光纖中心波長得到的應變測量結(jié)果誤差略大，且只能完成單一測量。研究表明，傾斜光纖光柵的柵周期的微小變化對其透射光譜有較大影響[8]。本文用傾斜光纖光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖布拉格光柵并將其固定在待測物體上，因沿纖芯軸線方向的應變會引起光纖的長度的變化，進而使光柵周期發(fā)生改變，通過傾斜光纖光柵透射譜的變化反映出光柵周期的細微變化，達到測量應變的目的。該方法基于透射譜中纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間的對應關(guān)系，采用新的思路研究不同光柵周期對傾斜光纖光柵透射譜的影響，并闡明其變化規(guī)律，為新型傾斜光纖光柵傳感器的實際應用提供了理論依據(jù)。

1基本原理

傾斜光纖光柵是一種新型光無源器件，其柵平面與光纖軸向存在一定的夾角，這一結(jié)構(gòu)特點使得傾斜光纖光柵能夠?qū)⒗w芯模式耦合進入包層傳播。傾斜光纖光柵中的模式耦合主要包括纖芯模之間的耦合、纖芯模與包層模之間的耦合以及纖芯模與輻射模之間的耦合。傾斜光纖光柵的典型結(jié)構(gòu)及傳光機理如圖1所示，圖中

，Λg為傾斜光纖光柵的光柵周期。

2仿真結(jié)果與討論

基于傾斜光纖光柵傳感的基本原理及上述應變傳感測量方法，對傾斜光纖光柵進行系統(tǒng)的理論仿真，設(shè)置仿真參數(shù)如下：纖芯折射率為1.460，包層折射率為1.450，布拉格中心波長為1.55 μm，纖芯直徑為2 μm，包層直徑為60.5 μm，光柵傾角為8°，耦合模式數(shù)為20。由于傾斜光纖光柵的特殊結(jié)構(gòu)，使透射譜中不僅存在纖芯導模諧振峰，還存在由光柵傾角導致的前向傳播纖芯模耦合到包層中的大量的包層模諧振峰。圖2為光柵周期為0.526～0.530 μm時傾斜光纖光柵透射光譜圖，由圖可以清楚地看出：隨著光柵周期的逐漸增大，透射譜的纖芯導模中心波長發(fā)生紅移，各包層模也同時向長波方向漂移。

僅根據(jù)纖芯導模諧振峰位中心波長作為傳感參數(shù)的傳統(tǒng)光纖光柵測量方法，靈敏度和測量精度都受到了限制，且大多只能進行單一光纖測量單一參量。通過對各光柵周期透射譜進行深入研究發(fā)現(xiàn)，纖芯導模LP0，1中心波長諧振峰位與包層模LP0，20諧振峰位的波長差Δλ，可以用來衡量包層模諧振峰的偏移情況，從而作為傳感器檢測參量以達到提高傳感器靈敏度的目的。并且通過取用不同的包層模，可以達到同時測量多個參量或同時得到多組測量數(shù)據(jù)的目的。因此基于上述方法對傾斜光纖光柵周期和波長差進行了進一步研究，其中，傾斜光纖光柵周期、纖芯導模LP0，1中心波長、包層模LP0，20波長與波長差的對應關(guān)系如表1所示。

3結(jié)論

傾斜光纖光柵作為一種新型光無源器件在諸多傳感領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位，尤其在測量應變等方面更有廣闊的應用前景。本文基于模式耦合理論，通過仿真研究得出傾斜光纖光柵透射譜中纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間存在良好的線性關(guān)系，將其與相同條件下的光纖布拉格光柵進行對比，發(fā)現(xiàn)傾斜光纖光柵周期與波長差的線性擬合度更好。利用這一特點將傾斜光纖光柵應用到應變測量的領(lǐng)域中，能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜光纖光柵傳感器的高靈敏度測量，且可利用不同模式與纖芯導模的波長差為檢測參數(shù)可達到同時測量多組數(shù)據(jù)的目的，大大提高了傳感器的測量精度。

參考文獻：

[1]CAUCHETEUR C，BETTE S，CHEN C，et al.Tilted fiber Bragg grating refractometer using polarizationdependent loss measurement[J].IEEE Photon Technol Lett，2008，20（24）：21532155.

[2]CHEN X F，ZHOU K M，ZHANG L，et al.Optical chemsensor based on etched tilted Bragg grating structures in multimode fiber[J].IEEE Photon Technol Lett，2005，17（4）：864866.

[3]LEE K S，ERDOGAN T.Fiber mode coupling in transmissive and reflective tilted fiber gratings[J].Applied Optics，2000，39（9）：13941404.

[4]張衛(wèi)華，童崢嶸，苗銀萍，等.基于數(shù)據(jù)融合的傾斜光纖光柵應變測量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（8）：103105.

[5]付華，蔡玲.基于數(shù)據(jù)融合的傾斜光纖光柵溫度測量[J].壓電與聲光，2011，33（6），887889.

[6]牟海維，劉文嘉，孔令富，等.光纖持氣率計在氣/水兩相流中響應規(guī)律的實驗研究[J].光學儀器，2012，34（5）：6669.

[7]牟海維，段玉波，張坤，等.光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究[J].光學儀器，2011，33（6）：5861.

[8]DONG X Y，ZHANG H，LIU B，et al.Tilted fiber Bragg gratings：principle and sensing applications[J].Photonic Sensors，2011，1（1）：630.

[9]胡德波.傾斜光纖光柵表面等離子體共振生物傳感器[D].濟南：山東大學，2011.

摘要： 傾斜光纖光柵作為一種特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵，近年來受到了研究人員的廣泛關(guān)注?；谀Ｊ今詈侠碚?，仿真研究了光柵周期對傾斜光纖光柵透射譜的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間存在良好的線性關(guān)系。利用這一結(jié)論可提高傾斜光纖光柵在應變測量中的靈敏度和檢測精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)單光纖多測量的目的。

關(guān)鍵詞： 傾斜光纖光柵（TFBG）； 透射譜； 周期； 理論仿真

中圖分類號： TN 253； TP 212.14文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.012

引言

傾斜光纖光柵（tilted fiber Bragg grating，TFBG）由于其柵平面與光纖橫截面成一夾角的特殊結(jié)構(gòu)，使其能夠?qū)⒗w芯模式耦合到包層中，形成一系列反向傳播的包層模式。將傾斜光纖光柵這一特性應用于傳感領(lǐng)域中，可提高傳感器靈敏度，解決長周期光纖光柵固有的交叉敏感問題[1]，且可以結(jié)合數(shù)據(jù)融合的方法實現(xiàn)單一光纖同時多測量的目的，傾斜光纖光柵在眾多領(lǐng)域中顯示出了廣闊的應用前景[25]。光纖布拉格光柵作為應變傳感器的方法已有報道[67]，但僅依靠測量光纖中心波長得到的應變測量結(jié)果誤差略大，且只能完成單一測量。研究表明，傾斜光纖光柵的柵周期的微小變化對其透射光譜有較大影響[8]。本文用傾斜光纖光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖布拉格光柵并將其固定在待測物體上，因沿纖芯軸線方向的應變會引起光纖的長度的變化，進而使光柵周期發(fā)生改變，通過傾斜光纖光柵透射譜的變化反映出光柵周期的細微變化，達到測量應變的目的。該方法基于透射譜中纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間的對應關(guān)系，采用新的思路研究不同光柵周期對傾斜光纖光柵透射譜的影響，并闡明其變化規(guī)律，為新型傾斜光纖光柵傳感器的實際應用提供了理論依據(jù)。

1基本原理

傾斜光纖光柵是一種新型光無源器件，其柵平面與光纖軸向存在一定的夾角，這一結(jié)構(gòu)特點使得傾斜光纖光柵能夠?qū)⒗w芯模式耦合進入包層傳播。傾斜光纖光柵中的模式耦合主要包括纖芯模之間的耦合、纖芯模與包層模之間的耦合以及纖芯模與輻射模之間的耦合。傾斜光纖光柵的典型結(jié)構(gòu)及傳光機理如圖1所示，圖中

，Λg為傾斜光纖光柵的光柵周期。

2仿真結(jié)果與討論

基于傾斜光纖光柵傳感的基本原理及上述應變傳感測量方法，對傾斜光纖光柵進行系統(tǒng)的理論仿真，設(shè)置仿真參數(shù)如下：纖芯折射率為1.460，包層折射率為1.450，布拉格中心波長為1.55 μm，纖芯直徑為2 μm，包層直徑為60.5 μm，光柵傾角為8°，耦合模式數(shù)為20。由于傾斜光纖光柵的特殊結(jié)構(gòu)，使透射譜中不僅存在纖芯導模諧振峰，還存在由光柵傾角導致的前向傳播纖芯模耦合到包層中的大量的包層模諧振峰。圖2為光柵周期為0.526～0.530 μm時傾斜光纖光柵透射光譜圖，由圖可以清楚地看出：隨著光柵周期的逐漸增大，透射譜的纖芯導模中心波長發(fā)生紅移，各包層模也同時向長波方向漂移。

僅根據(jù)纖芯導模諧振峰位中心波長作為傳感參數(shù)的傳統(tǒng)光纖光柵測量方法，靈敏度和測量精度都受到了限制，且大多只能進行單一光纖測量單一參量。通過對各光柵周期透射譜進行深入研究發(fā)現(xiàn)，纖芯導模LP0，1中心波長諧振峰位與包層模LP0，20諧振峰位的波長差Δλ，可以用來衡量包層模諧振峰的偏移情況，從而作為傳感器檢測參量以達到提高傳感器靈敏度的目的。并且通過取用不同的包層模，可以達到同時測量多個參量或同時得到多組測量數(shù)據(jù)的目的。因此基于上述方法對傾斜光纖光柵周期和波長差進行了進一步研究，其中，傾斜光纖光柵周期、纖芯導模LP0，1中心波長、包層模LP0，20波長與波長差的對應關(guān)系如表1所示。

3結(jié)論

傾斜光纖光柵作為一種新型光無源器件在諸多傳感領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位，尤其在測量應變等方面更有廣闊的應用前景。本文基于模式耦合理論，通過仿真研究得出傾斜光纖光柵透射譜中纖芯導模與包層模的波長差和光柵周期之間存在良好的線性關(guān)系，將其與相同條件下的光纖布拉格光柵進行對比，發(fā)現(xiàn)傾斜光纖光柵周期與波長差的線性擬合度更好。利用這一特點將傾斜光纖光柵應用到應變測量的領(lǐng)域中，能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜光纖光柵傳感器的高靈敏度測量，且可利用不同模式與纖芯導模的波長差為檢測參數(shù)可達到同時測量多組數(shù)據(jù)的目的，大大提高了傳感器的測量精度。

參考文獻：

[1]CAUCHETEUR C，BETTE S，CHEN C，et al.Tilted fiber Bragg grating refractometer using polarizationdependent loss measurement[J].IEEE Photon Technol Lett，2008，20（24）：21532155.

[2]CHEN X F，ZHOU K M，ZHANG L，et al.Optical chemsensor based on etched tilted Bragg grating structures in multimode fiber[J].IEEE Photon Technol Lett，2005，17（4）：864866.

[3]LEE K S，ERDOGAN T.Fiber mode coupling in transmissive and reflective tilted fiber gratings[J].Applied Optics，2000，39（9）：13941404.

[4]張衛(wèi)華，童崢嶸，苗銀萍，等.基于數(shù)據(jù)融合的傾斜光纖光柵應變測量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（8）：103105.

[5]付華，蔡玲.基于數(shù)據(jù)融合的傾斜光纖光柵溫度測量[J].壓電與聲光，2011，33（6），887889.

[6]牟海維，劉文嘉，孔令富，等.光纖持氣率計在氣/水兩相流中響應規(guī)律的實驗研究[J].光學儀器，2012，34（5）：6669.

[7]牟海維，段玉波，張坤，等.光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究[J].光學儀器，2011，33（6）：5861.

[8]DONG X Y，ZHANG H，LIU B，et al.Tilted fiber Bragg gratings：principle and sensing applications[J].Photonic Sensors，2011，1（1）：630.

[9]胡德波.傾斜光纖光柵表面等離子體共振生物傳感器[D].濟南：山東大學，2011.