LPFG 镀层参数对其折射率传感特性的仿真分析

周 艳,王天根,郭 冰

(中国计量大学,浙江 杭州 310018)

1 引 言

光纤因其具有携带信号量大、损耗低、抗电磁干扰等特性而在现代通信及传感领域得到了广泛应用。光纤光栅是采用相位掩膜、直接写入、光纤刻槽拉伸、微透镜阵列等方法使一定长度范围内的纤芯区域发生周期性折射率的改变,而形成的一种新型的光纤器件。按照折射率调制周期的大小可分为光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG),LPFG具有特殊的相位匹配条件[1],并且可通过腐蚀包层、镀膜、级联等方式改变其结构参数,使其可根据具体测量要求不断进行优化以提高测量精度和灵敏度。

工业生产中液体浓度的检测监控必不可少,但在测量环境为诸如矿井、油田等易燃、易爆、强电磁干扰时,或者被测对象为毒性、腐蚀性等不宜接触的液体时,除了要求传感元件的精确度和灵敏度外,还要求其具有防爆、防磁、抗干扰等特性[2]。LPFG对周围介质折射率、浓度的变化非常敏感[3],因此研究长周期光纤光栅对外界环境折射率或浓度的响应规律,对实现特殊环境下或特殊特体物质的浓度即折射率的检测具有重要意义。

2 镀金属膜LPFG传感机理

当光纤中被写入光栅后,纤芯折射率沿轴向发生周期性改变,使得纤芯基模耦合进同向传输的包层模式,并在传输一定的距离后,满足谐振条件的特定波长的光发生明显衰减,在光谱中形成透射峰。又因其包层模式众多,在一定波长范围内,凡是波长满足谐振条件的光都会发生损耗,故在传输谱中一般会形成多个损耗峰。

如图1左图所示,在光栅区域外,沿径向均匀镀上一层纳米厚度的金属,建立由纤芯、包层、金属膜层、环境组成的四层结构模型,即三包层(包层、金属层、环境层)结构[4]。三包层结构LPFG折射率分布如图1右图所示,n1、n2、n3、n4分别为纤芯折射率、包层折射率、金属折射率和环境折射率,a1、a2分别为纤芯半径和包层半径,a3-a2代表沿包层径向所镀金属膜层厚度。

图1 镀膜LPFG结构示意图与折射率分布图

镀膜LPFG相位匹配条件满足:

βco-βclν=2π/Λ

(1)

用有效折射率表示为:

(2)

分析方程可知,包层模的有效折射率与入射波长λ、纤芯折射率n1、半径a1、包层折射率n2、半径a2、镀层折射率n3、镀层厚度a3-a2以及环境折射率n4有关。计算时选用Coning公司SMF-28光纤,a1=4.15 μm,a2=62.5 μm,n1=1.4681,n2=1.4628,所选镀层材料为金属镍,其折射率n3=3.83+6.82i,计算时忽略金属折射率虚部[5],即取n3=3.83。故当选定光纤型号以及膜层厚度时,包层模有效折射率仅与外界折射率有关。

综上,外界折射率变化导致包层模有效折射率变化,进而使谐振峰中心波长偏移,通过测量谐振峰中心波长偏移量即可得到外界折射率值。

3 镀膜LPFG参数对折射率传感特性的影响

由前文分析可知,选用SMF-28型号光纤制作光栅时,包层模序数、光栅周期、膜层厚度会影响谐振峰中心波长的偏移量,本章将对此展开讨论。

3.1 matlab仿真分析包层模序数与光栅周期

令膜厚450 nm,周期为550 μm,计算得到一阶3至6次包层模谐振波长随环境折射率的变化曲线,如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示。

式中：Z为某垃圾填埋场适宜性总分；i为第i项制约因素，i=1,2,…n,；n为垃圾填埋场制约因素个数；Zi为第i项制约因素之总分。

图2 一阶3至6次包层模谐振波长与环境 折射率关系曲线

环境折射率n4分别为1.0,1.45时所求解的谐振波长值具体数值参照表1。

表1 一阶3次、4次、5次、6次模谐振波长

令膜厚450 nm,周期为320 μm,计算得到一阶11至14次包层模谐振波长随环境折射率的变化曲线,如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

环境折射率n4分别为1.0,1.45时所求解的谐振波长值具体数值参照表2。

图3 一阶11至14次包层模谐振波长与环境折射率关系图曲线

谐振波长n4=1.00n4=1.45Δλd/nmv=111443.439308243911443.492278513220.052970269309981v=121511.202919712821509.55222778791-1.650691924910007v=131686.542629186721686.624603277450.081974090730000v=141749.547122324061747.20133710210-2.345785221959886

分析以上曲线和表中数据,得出以下结论:

(1)随环境折射率增大,奇次包层模谐振峰中心波长向长波方向移动;偶次包层模谐振峰中心波长向短波方向移动。

(2)偶次模偏移量高于奇次模偏移量,且模次越高,偏移量越大。

(3)由式(2)可知,当包层模有效折射率变化量相同时,光栅周期越大,谐振波长偏移量也越大。但经本节分析后,若想提高谐振波长在环境折射率改变时产生的偏移量,利用选取模次较高的包层模方式比利用增大光栅周期的方式更为有效。例如,当环境折射率由1.0变化到1.45时,光栅周期为550 μm时的一阶6次模的谐振波长偏移约0.746 nm,而光栅周期为320 μm时的一阶14次模的谐振波长偏移约2.346 nm。

3.2 matlab仿真分析金属膜层厚度

令光栅周期为550 nm,入射波长为1550 nm,金属膜层厚度在200 nm至700 nm范围内变化时,所得一阶前14次包层模谐振波长曲线如图4所示。由图4可知,当膜厚度在320 nm至330 nm之间以及540 nm至550 nm之间分别出现跳变,且模次数越高,跳变越明显;跳变之外曲线平滑,且随膜厚增大,谐振波长减小。

图4 一阶前14次包层模式膜厚与谐振波长关系曲线

因一定的膜层厚度将使谐振波长发生跳变,故此处对膜厚做进一步分析。令光栅周期Λ=400 μm,膜厚分别为400 nm、450 nm,500 nm,550 nm和600 nm时,仿真得到一阶6次、8次、10次包层模谐振峰中心波长随外界环境的变化曲线如图5(a)、(b)、(c)所示:随模次增大,谐振波长随环境折射率的偏移量也增大,且一阶6次、8次、10次包层模式都是在金属膜厚为550 nm时谐振波长偏移量最大,其中,一阶10次包层模的谐振峰中心波长偏移高达35 nm。具体数值见表3。

(a)一阶6次包层模式

(b)一阶8次包层模式

(c)一阶10次包层模式 图5 一阶6、8、10次包层模谐振波长与环境折射率关系曲线

分析图5和表3中数据:当环境折射率由1.0变化至1.45时,一阶6次、8次、10次包层模式谐振波长都向短波方向移动;在同一膜厚下,高次模的谐振波长偏移量要高于低次模的谐振波长偏移量;一阶6次、8次、10次包层模式都是在金属膜厚为550 nm时谐振波长偏移量最大。而膜厚550 nm恰好是使包层模有效折射率和谐振波长发生跳变的位置,此结论为选择合适的膜层厚度提供了依据。

表3 一阶6次、8次、10次模谐振波长偏移量

4 结 论

通过对长周期光纤光栅的包层模序数、光栅周期、金属镀层厚度等参数的仿真分析可知,镀膜LPFG对于外界环境折射率的响应规律为:当外界环境折射率增大时,奇次模谐振峰向长波方向偏移,偶次模谐振峰向短波方向偏移,且偶次模的偏移明显高于奇次模的偏移。将镀膜LPFG作为折射率传感元件在进行参数选择时,应根据仿真结果,充分考虑模序数、光栅周期、膜厚度对测量灵敏度和分辨率的影响,此外,还应同时考虑当前刻栅和镀膜工艺水平,以确定合理的参数值。一定的膜层厚度将使包层模的有效折射率或谐振波长发生跳变,经进一步分析可知,在发生跳变时的膜厚处,包层模的谐振波

长对环境折射率的响应更灵敏,这为优化传感器设计提供了有价值的参考。

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