平頂型CLPG-CFBG級聯結構中溫度應力傳感特性的研究

呂子尚,胡勁華,任丹萍,趙繼軍

(河北工程大學 信息與電氣工程學院,邯鄲 056038,中國)

0 引 言

光纖光柵憑借不受外部光源波動影響、傳感信號強、檢測精度高、響應頻率快、抗干擾檢測能力強,以及器件組網方式靈活等優點,已日益成為光纖信息通信和光纖傳感網系統的關鍵器件之一[1]。在分布式光纖傳感網系統中,由于光纖光柵傳感器對溫度[2-4]、濕度[5]、微彎曲應變[6]和應力[7]等多個參量都非常敏感,被廣泛用于礦井安全、結構健康監測[8]和周界安防等領域進行環境參量的監測和傳感。物體特性變化時最直觀的表現方式體現在溫度和應力兩方面,這使得一個傳感器能夠實現溫度和應力同時檢測顯得尤為必要。因此,研究者們通過設計不同類型的光纖光柵結構形成兩個或多個諧振峰,利用不同類型諧振峰之間對介質溫度/應變測量的靈敏度大小不同實現雙參量的同時檢測。例如,GUO等人[9]提出了一種少模光纖長周期光柵雙參量傳感,利用模式間雙峰耦合現象提高了測量靈敏度。ZHANG等人[10]采用單模和多模光纖級聯的方式制備了一種新型高靈敏度的多模光纖啁啾長周期光柵,利用兩個高階模透射譜對兩種參量的響應差實現了同時傳感。KANG等人[11]利用耦合型雙芯光纖對外界溫度和應力變化的靈敏度響應特性與光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating,FBG)的不同提出了一種新的傳感器,且耦合型雙芯光纖的應力和溫度靈敏度達到了0.98867 pm/με和31.25 pm/℃,FBG則分別達到了1.25 pm/με和10.125 pm/℃。ZHANG等人[12]提出了長周期光纖光柵(long period grating,LPG)與FBG級聯的雙參量傳感器結構,形成了3個諧振峰,在一定測量范圍內使溫度和應力靈敏度最大分別達到了41.66 pm/℃和2.33 pm/με。

在光纖傳感系統中,光纖光柵傳感器不僅要解決溫度應力之間存在的交叉敏感問題,還需滿足光纖通信中色散補償[13]和穩定傳輸波段[14]的要求。啁啾光纖光柵由于光柵的周期沿光纖軸呈線性分布,使得光脈沖展寬形成平頂光譜[15],可以有效地實現色散補償[16],并且對環境溫度和應力的變化也較為敏感[17]。上述光纖光柵傳感器的輸出光譜為洛倫茲型,中心波長隨溫度和應力的變化均會漂移,但沒有穩定的通信傳輸波段,容易產生色散,影響通信的傳輸質量,不利于系統通信傳感一體化[18]。

因此,本文作者提出了一種基于啁啾長周期光纖光柵(chirped long period grating,CLPG)[19]和啁啾光纖布喇格光柵(chirped fiber Bragg grating,CFBG)[17]級聯的平頂型溫度應力雙參量光纖光柵傳感器。通過優化調節所提出結構中的啁啾系數大小,增大光譜帶寬,輸出平頂透射光譜,形成穩定的傳輸波段,以保證光信號的傳輸質量。利用CLPG和CFBG形成的不同諧振峰對溫度和應力靈敏度響應不同的特性,有效地消除了兩種參量檢測時的交叉敏感,使傳感器實現了溫度應力的同時傳感,并從模場能量角度分析了包層半徑變化對CLPG靈敏度影響。該傳感器有望與現有的光通信基礎設施進行很好的兼容,實現通信傳感一體化[20],在分布式光纖傳感系統中具有良好的應用前景。

1 器件結構與原理

圖1為本文作者提出的一種平頂型溫度應力雙參量傳感的器件結構示意圖。該器件由 CLPG和CFBG共同級聯而成,器件結構主要元件的基本物理結構參數分別為:纖芯折射率n1,包層折射率n2,CLPG初始周期Λ0,l,CFBG初始周期Λ0,B,CLPG長度Ll,CFBG長度LB,纖芯半徑r1,包層半徑r2。光由左側輸入,由于啁啾光纖光柵的周期呈啁啾性變化,入射光譜經傳感器變化后輸出為平頂型光譜。

圖1 CLPG-CFBG級聯結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the CLPG-CFBG cascaded structure

基于耦合模理論可知,CLPG光譜是由纖芯基模和高階的包層模式之間相互耦合形成的正向傳輸的透射光譜。所以CLPG諧振波長λl表達式如下[10,21]:

λl=(neff,1-neff,2)Λl

(1)

式中:neff,1為纖芯基模有效折射率;neff,2為包層模式的有效折射率;Λl為CLPG的啁啾周期。而CFBG與FBG相同為正向纖芯模式和反向纖芯模式的自耦合現象,依據相位匹配條件可得CFBG的諧振波長λB為[21]:

λB=2neff,1ΛB

(2)

式中:ΛB為CFBG的啁啾周期。啁啾周期是由于光柵條在光纖中呈線性分布形成的,因此可得啁啾光纖光柵周期Λ表達式:

Λ=x(c/L)+Λ0-c/2

(3)

式中:Λ0為啁啾光纖光柵周期的初始值;c為啁啾光纖光柵啁啾系數;x為啁啾周期在對應啁啾光纖光柵長度中所在的位置,且范圍為0≤x≤L;L代表對應的啁啾光纖光柵長度。

由彈性力學和彈光效應理論可知,在外界應力發生改變作用在光纖光柵軸向方向時,纖芯和包層各介質本身的有效折射率均會受到軸向應力的影響,同時光柵周期也會隨應力的變化而變化。因而當光纖軸向應力ε發生改變時,對長短周期的諧振波長式(1)、式(2)取微分可以得出各自諧振中心波長對應的應力靈敏度系數,其表達式為[22]:

(4)

(5)

式中:Kε,l、Kε,B分別為CLPG應力靈敏度系數和CFBG應力靈敏度系數。應力對光纖有效折射率neff的影響主要取決于光纖光柵本身的彈光系數Pe的大小,即dneff/dε=neff×Pe[9];對啁啾光纖光柵周期的影響為dΛ=Λdε[10]。因此當作用在傳感器軸向方向的應力大小變化量為Δε時,依據式(4)、式(5)所求出的Kε聯立等式,可計算出傳感器中心波長位移量大小Δλ為:

Δλ=Kε×Δε

(6)

同應力變化相似,當外環境溫度T發生變化時,周期受自身材料熱膨脹系數η=Λ-1dΛ/dT[7]的影響、有效折射率受熱光系數ξ=neff-1dneff/dT[7]的影響。對式(1)和式(2)取溫度的微分得到溫度靈敏度系數[21]:

(7)

(8)

因此,當傳感器周圍環境溫度的變化量大小為ΔT時,依據式(7)、式(8)所求出的KT與溫度變化量聯立等式可計算出傳感器中心波長位移量大小Δλ為:

Δλ=KT×ΔT

(9)

綜上所述,當傳感器受到外環境溫度和自身軸向應力的同時作用時,聯立式(6)、式(9)生成方程組,進而生成傳輸矩陣方程為:

(10)

式中:Δλl表示為CLPG的中心波長位移量;ΔλB表示CFBG中心波長的位移量,且靈敏度系數矩陣行列式D=|Kε,lKT,B-KT,lKε,B|≠0。因此通過觀察中心波長位移量,結合逆系數矩陣可知溫度和軸向應力各自的變化量大小,即式(10)的逆傳輸矩陣:

(11)

2 器件設計與分析

首先對級聯CLPG-CFBG傳感器初始結構參數設置介紹如下:n1=1.45、n2=1.46[23],器件纖芯半徑r1=4.15 μm,CLPG周期初始值Λ0,l=220 μm,CFBG周期初始值Λ0,B=0.49 μm。光纖光柵的調制系數隨刻蝕的深度加深而增大,進而使得光纖光柵的透射譜越明顯,因此在合適范圍內CLPG調制系數設為0.0005,CFBG調制系數為0.0008,CLPG長度Ll=3.5 cm,CFBG長度LB=2 cm。

2.1 啁啾系數選擇

為了滿足在光纖傳感系統中的應用,得到更好的平頂透射光譜譜型。依據式(3)分別討論了CFBG的啁啾系數cB和CLPG的啁啾系數cl各自在不同數值大小時對透射譜的影響。從圖2a可知,在0.001～0.003范圍內,隨著cB的增大,CFBG的透射光譜帶寬逐漸展寬;但是當cB到達0.002以后,隨著啁啾系數的增大,透射率效果反而減小。由分析可知,當cB=0.002時,CFBG的透射平頂光譜最好,且平頂帶寬達到了5.6 nm。同理,CLPG的平頂光譜在光纖傳感系統中有利于寬帶模式的轉換促進模式之間的耦合[24],提高光纖內模式耦合效率[25],對CLPG的啁啾系數cl在4.1～4.7范圍內進行了仿真分析。由圖2b所示,cl的數值大小變化對CLPG透射光譜帶寬沒有影響,CLPG平頂光譜帶寬達到了13.8 nm;但是當啁啾系數cl=4.4時,透射光譜平頂效果最好。由此可知,當cl=4.4、cB=0.002時,兩平頂光譜分別達到最優效果。

圖2 啁啾系數分析光譜圖Fig.2 Spectrogram of the chirp coefficient analysis

2.2 包層半徑選擇

隨后,進一步研究CLPG-CFBG級聯結構中包層半徑對諧振中心波長漂移的影響,仿真分析了不同半徑下,該器件結構截面的模場分布。如圖3所示,本文中將包層半徑r2從62.5 μm逐漸減小到15.5 μm,對比觀察兩種模式在不同半徑下的模場能量分布情況。由圖3a、圖3b和圖3c可以觀察到纖芯基模(LP0,1)模場能量保持不變,不受包層半徑的影響。觀察圖3d、圖3e、圖3f可知,隨包層半徑的減小,1階2次包層模(LP0,2)模場能量分布逐漸減小,這使得該光纖光柵傳感器結構周圍介質中的消逝波增大[26],光纖光柵傳感器與外界環境的相互作用[27]增強,有利于提高光纖光柵傳感器對溫度和應力檢測的靈敏度。

圖3 不同包層半徑下CLPG-CFBG傳輸模式的模場能量分布Fig.3 Mode-field distribution of CLPG-CFBG transmission modes at different cladding radii

另外,光纖光柵的模式主要由纖芯和包層的模式有效折射率決定,因此仿真計算了不同包層半徑下兩種模式分別對應的有效折射率。如表1所示,隨包層半徑的減小,LP0,1模的有效折射率不變,LP0,2模的有效折射率值逐漸減小,與模場能量變化規律相符合。依據式(1)可知,在相同環境影響下,neff,1和neff,2的差值越大,CLPG的諧振中心波長漂移越明顯,環境參量檢測時的靈敏度越高。但是CLPG透射光譜是纖芯模與包層模相互耦合的效果,包層半徑小于20.5 μm時,CLPG光譜透射效率反而降低,所以包層半徑選定為20.5 μm。

表1 不同包層半徑下兩種模式的有效折射率值Table 1 Effective refractive index values of the two modes at different cladding radii

級聯型結構傳感器輸出光譜形狀如圖4所示。從圖中可知,平頂帶寬較窄的諧振峰表示CFBG結構光譜,右側諧振峰平頂帶寬較寬,為CLPG結構光譜。

圖4 CLPG-CFBG級聯結構透射光譜Fig.4 Transmission spectrum of the CLPG-CFBG cascaded structure

3 結果與分析

3.1 應力傳感特性

隨著軸向應力的增加,兩個諧振峰漂移呈不同的漂移趨勢。如圖5a和圖5b所示,CLPG的諧振峰中心波長位置隨應力的增大向短波長方向藍移,CFBG的諧振峰中心波長位置隨應力的增大而紅移,因此使得兩中心波長之間間距減小。為了更準確地測量出諧振中心波長隨應力變化的規律,從0 με～500 με范圍內每100 με進行取點采樣,如圖5c和圖5d所示。波長漂移與應力變化呈良好的線性關系,并計算出CFBG的應力靈敏度Kε,B=0.8 pm/με,線性度R2=0.99865;CLPG的應力靈敏度Kε,l=-132 pm/με,線性度R2=0.99981。

圖5 應力測量Fig.5 Strain measurement

3.2 溫度傳感特性

隨著外界溫度的升高,兩個諧振峰中心波長位置呈相同的漂移趨勢,與應力相反。如圖6a和圖6b所示,CLPG和CFBG的諧振峰均同時向長波長方向紅移,中心波長間距增大。為了更準確地測量出諧振中心波長隨溫度升高的變化規律,從20 ℃～80 ℃每10 ℃進行取點采樣,對各個采樣點進行多次測量求平均值,隨后將各平均值進行線性擬合。如圖6c和圖6d所示,波長漂移的大小與溫度變化量呈良好的線性關系。由此計算出CFBG的溫度靈敏度KT,B=12.6 pm/℃,線性度R2=0.99938;CLPG的溫度靈敏度KT,l=2660 pm/℃,線性度R2=0.99998。

圖6 溫度測量Fig.6 Temperature measurement

綜上所述,將仿真結果Kε,l=-132 pm/με、KT,l=2660 pm/℃、Kε,B=0.8 pm/με、KT,B=12.6 pm/℃代入式(11),得到逆傳輸矩陣方程:

(12)

當外界環境溫度和應力發生變化時,通過觀察兩個諧振中心波長的變化量并代入式(12),可以直接計算出溫度和應力的變化量。

此外,外界溫度和應力在一定范圍內變化時,CFBG平頂光譜總是存在固定的部分重疊光譜,重疊波段在1426 nm～1429 nm之間,如圖5b和圖6b所示。因此該部分重疊光譜可以為光信號通信提供穩定的傳輸波段,保證了光信號通信的傳輸質量,可更好地與現有的通信基礎設施相結合,有利于通信傳感一體化進程。

4 結 論

本文中提出了一種CLPG-CFBG級聯平頂型光纖光柵傳感器結構。仿真結果表明,CLPG的溫度和應力靈敏度分別為2660 pm/℃和132 pm/με,CFBG的溫度和應力靈敏度分別為12.6 pm/℃和0.8 pm/με,生成了靈敏度系數矩陣,有效解決了溫度和應力之間相互存在的交叉敏感問題,使傳感器具有雙參量同時傳感的功能。進一步優化光纖的啁啾系數,使CLPG和CFBG的平頂光譜帶寬分別達到了13.8 nm和5.6 nm。在一定溫度和應力傳感范圍內,具有1426 nm～1429 nm范圍內穩定傳輸的通信波段,可以保證光信號的傳輸質量。與傳統傳感器相比,該傳感器具有溫度應力雙參量傳感和穩定通信傳輸的功能,能夠更好地與通信基礎設施相結合應用于光纖傳感網系統中。