多模光纤光栅度温特性研究.pptx

光纤光栅温度特性分析; 光纤光栅反射光的布拉格波长λB满足如下公式： λB=2neff*Λ （ 1） ，式中Λ为光栅的周期，neff为光线的固有折射率。当光栅的温度发生变化时。光栅的折射率和光栅的周期都会放生变化，从而形成了一个新光栅的折射率和周期，似的原来的光纤光栅的布拉格波长发生漂移。布拉格波长也随温度的变换的关系如下： ? λ=（α+ξ）* ?T* ?λB （ 2） 温度灵敏度公式： ? λ/ ?T= （α+ξ） * λB （3） ? λ表示温度变化造成的λB漂移温度，α为光纤材料的热膨胀系数，描述光栅的有效折射率随温度的变化； ?T温度变化量。 Δλ与ΔT 之间呈现线性关系,通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλ,便可确定光栅外的环境温度。对于石英光纤通常α为0. 55 ×10- 6 ℃- 1 ,ξ为7 ×10- 6 ℃- 1 , 通过计算得到布拉格波长为1310 nm 多模光纤光栅的温度灵敏度为0. 01 nm/ ℃。 多模光纤光栅的反射波为多峰结构,并满足下列 关系[4 ,8 ] : β =2πλn1 1 - 4ΔN + 1V , (4) β为传播常量; n1 为芯径的折射率;Δ为相对折射率之差; N 为主模的阶数;ν 为归一化频率(ν =2παNA/λ) 。(4) 式根号中第二项比1 小得多,数值孔径NA = n1 2Δ, 当满足布拉格条件时有β=π/ Λ。通过对(4) 式进行微分化简整理后可得到; 对掺锗的石英光纤d n1/ d T 和d n2/ d T 在波长为589 nm时为1 ×10 - 5 ℃- 1 。热膨胀系数α= (dΛ/ d T) / Λ为0. 55 ×10 - 6 [1 ,9 ] 。参照以上数据,可得到(5) 式右边第一项要比第二项和第三项小一个数量级。这说明对温度灵敏度的影响受折射率的变化要比热膨胀显著。文献[ 7 ]推导的方程计算得到温度灵敏度dλ/ d T 随N 的变化最大不超过1. 3 %。本文对(4)式重新进行推导得到方程(5) 式,经过计算得到温度灵敏度dλ/ d T 随N 的变化最大不超过0. 07 %。因为这些值很小,所以各模式反射波的温度灵敏度几乎是一样的,即多模光纤光栅的多个反射峰的布拉格波长随温度变化的漂移幅度是相同的。 实验过程 实验采用长飞光纤光缆公司生产的渐变型多模光纤,纤芯直径为50μm ,数值孔径为0. 2 ,包层直径为125μm。为了提高多模光纤的光敏性,将多模光纤置于氢气高压器中,在常温下渗氢(载氢) 两周。我们采用相位掩模板复制法制作多模光纤光栅,写入光栅的紫外光源为波长248 nm的准分子激光器(德国Lambda Physik 公司的COMPEX 150T 型) 。多模光纤光栅写好后在80 ℃温度下退火48 h就得到实验用的多模光纤光栅。温度传感特性的实验装置如图1 所示。光源为1300 nm的超发光二极管(SLED) ,型号为5S423 ,带宽为50 nm左右,功率为100μW;OSA(Optical spectrum analyzer)为AQ26317B 光谱仪,波长分辨率设置为0.05 nm。光纤布拉格光栅置于恒温控制箱中。光源发出的宽带光经光分路器(coupler) 耦合进多模光纤光栅,光栅反射回来的光再经过光分路器传输到AQ26317B 光谱仪进行反射数据检测;或者从光纤光栅的另一端直接接入光谱仪,进行透射数据检测。;SLED;Fig. 2 Transmission spectrum of FBG at different temperature. (a) T = 19 ℃, (b) T = 200 ℃;　从图2 、图3 中可以看出:每一多模光纤光明显的3 个反射峰,其中1 # 多模光栅反射峰1 、2 、3的布拉格波长分别由1310. 26 nm、1309. 66 nm、1309. 14 nm 变为1312. 00 nm、1311. 46 nm、1310. 94 nm ,相同温度下,各反射峰之间的间隔基本为0. 5 nm ;2 # 多模光栅反射峰1 、2 、3 的布拉格波长分别由1310. 42 nm、1309. 90