倾斜光纤光栅周期对其透射谱的影响

刘超　孙祺　柴雅婷等

摘要： 倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅，近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论，仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明，纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度，且能够实现单光纤多测量的目的。

关键词： 倾斜光纤光栅（TFBG）； 透射谱； 周期； 理论仿真

中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.012

引言

倾斜光纤光栅（tilted fiber Bragg grating，TFBG）由于其栅平面与光纤横截面成一夹角的特殊结构，使其能够将纤芯模式耦合到包层中，形成一系列反向传播的包层模式。将倾斜光纤光栅这一特性应用于传感领域中，可提高传感器灵敏度，解决长周期光纤光栅固有的交叉敏感问题[1]，且可以结合数据融合的方法实现单一光纤同时多测量的目的，倾斜光纤光栅在众多领域中显示出了广阔的应用前景[25]。光纤布拉格光栅作为应变传感器的方法已有报道[67]，但仅依靠测量光纤中心波长得到的应变测量结果误差略大，且只能完成单一测量。研究表明，倾斜光纤光栅的栅周期的微小变化对其透射光谱有较大影响[8]。本文用倾斜光纤光栅代替传统的光纤布拉格光栅并将其固定在待测物体上，因沿纤芯轴线方向的应变会引起光纤的长度的变化，进而使光栅周期发生改变，通过倾斜光纤光栅透射谱的变化反映出光栅周期的细微变化，达到测量应变的目的。该方法基于透射谱中纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间的对应关系，采用新的思路研究不同光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响，并阐明其变化规律，为新型倾斜光纤光栅传感器的实际应用提供了理论依据。

1基本原理

倾斜光纤光栅是一种新型光无源器件，其栅平面与光纤轴向存在一定的夹角，这一结构特点使得倾斜光纤光栅能够将纤芯模式耦合进入包层传播。倾斜光纤光栅中的模式耦合主要包括纤芯模之间的耦合、纤芯模与包层模之间的耦合以及纤芯模与辐射模之间的耦合。倾斜光纤光栅的典型结构及传光机理如图1所示，图中

，Λg为倾斜光纤光栅的光栅周期。

2仿真结果与讨论

基于倾斜光纤光栅传感的基本原理及上述应变传感测量方法，对倾斜光纤光栅进行系统的理论仿真，设置仿真参数如下：纤芯折射率为1.460，包层折射率为1.450，布拉格中心波长为1.55 μm，纤芯直径为2 μm，包层直径为60.5 μm，光栅倾角为8°，耦合模式数为20。由于倾斜光纤光栅的特殊结构，使透射谱中不仅存在纤芯导模谐振峰，还存在由光栅倾角导致的前向传播纤芯模耦合到包层中的大量的包层模谐振峰。图2为光栅周期为0.526～0.530 μm时倾斜光纤光栅透射光谱图，由图可以清楚地看出：随着光栅周期的逐渐增大，透射谱的纤芯导模中心波长发生红移，各包层模也同时向长波方向漂移。

仅根据纤芯导模谐振峰位中心波长作为传感参数的传统光纤光栅测量方法，灵敏度和测量精度都受到了限制，且大多只能进行单一光纤测量单一参量。通过对各光栅周期透射谱进行深入研究发现，纤芯导模LP0，1中心波长谐振峰位与包层模LP0，20谐振峰位的波长差Δλ，可以用来衡量包层模谐振峰的偏移情况，从而作为传感器检测参量以达到提高传感器灵敏度的目的。并且通过取用不同的包层模，可以达到同时测量多个参量或同时得到多组测量数据的目的。因此基于上述方法对倾斜光纤光栅周期和波长差进行了进一步研究，其中，倾斜光纤光栅周期、纤芯导模LP0，1中心波长、包层模LP0，20波长与波长差的对应关系如表1所示。

3结论

倾斜光纤光栅作为一种新型光无源器件在诸多传感领域中有着举足轻重的地位，尤其在测量应变等方面更有广阔的应用前景。本文基于模式耦合理论，通过仿真研究得出倾斜光纤光栅透射谱中纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系，将其与相同条件下的光纤布拉格光栅进行对比，发现倾斜光纤光栅周期与波长差的线性拟合度更好。利用这一特点将倾斜光纤光栅应用到应变测量的领域中，能够实现倾斜光纤光栅传感器的高灵敏度测量，且可利用不同模式与纤芯导模的波长差为检测参数可达到同时测量多组数据的目的，大大提高了传感器的测量精度。

参考文献：

[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]张卫华，童峥嵘，苗银萍，等.基于数据融合的倾斜光纤光栅应变测量[J].传感器与微系统，2008，27（8）：103105.

[5]付华，蔡玲.基于数据融合的倾斜光纤光栅温度测量[J].压电与声光，2011，33（6），887889.

[6]牟海维，刘文嘉，孔令富，等.光纤持气率计在气/水两相流中响应规律的实验研究[J].光学仪器，2012，34（5）：6669.

[7]牟海维，段玉波，张坤，等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究[J].光学仪器，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.倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器[D].济南：山东大学，2011.

摘要： 倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅，近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论，仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明，纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度，且能够实现单光纤多测量的目的。

关键词： 倾斜光纤光栅（TFBG）； 透射谱； 周期； 理论仿真

中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.012

引言

倾斜光纤光栅（tilted fiber Bragg grating，TFBG）由于其栅平面与光纤横截面成一夹角的特殊结构，使其能够将纤芯模式耦合到包层中，形成一系列反向传播的包层模式。将倾斜光纤光栅这一特性应用于传感领域中，可提高传感器灵敏度，解决长周期光纤光栅固有的交叉敏感问题[1]，且可以结合数据融合的方法实现单一光纤同时多测量的目的，倾斜光纤光栅在众多领域中显示出了广阔的应用前景[25]。光纤布拉格光栅作为应变传感器的方法已有报道[67]，但仅依靠测量光纤中心波长得到的应变测量结果误差略大，且只能完成单一测量。研究表明，倾斜光纤光栅的栅周期的微小变化对其透射光谱有较大影响[8]。本文用倾斜光纤光栅代替传统的光纤布拉格光栅并将其固定在待测物体上，因沿纤芯轴线方向的应变会引起光纤的长度的变化，进而使光栅周期发生改变，通过倾斜光纤光栅透射谱的变化反映出光栅周期的细微变化，达到测量应变的目的。该方法基于透射谱中纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间的对应关系，采用新的思路研究不同光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响，并阐明其变化规律，为新型倾斜光纤光栅传感器的实际应用提供了理论依据。

1基本原理

倾斜光纤光栅是一种新型光无源器件，其栅平面与光纤轴向存在一定的夹角，这一结构特点使得倾斜光纤光栅能够将纤芯模式耦合进入包层传播。倾斜光纤光栅中的模式耦合主要包括纤芯模之间的耦合、纤芯模与包层模之间的耦合以及纤芯模与辐射模之间的耦合。倾斜光纤光栅的典型结构及传光机理如图1所示，图中

，Λg为倾斜光纤光栅的光栅周期。

2仿真结果与讨论

基于倾斜光纤光栅传感的基本原理及上述应变传感测量方法，对倾斜光纤光栅进行系统的理论仿真，设置仿真参数如下：纤芯折射率为1.460，包层折射率为1.450，布拉格中心波长为1.55 μm，纤芯直径为2 μm，包层直径为60.5 μm，光栅倾角为8°，耦合模式数为20。由于倾斜光纤光栅的特殊结构，使透射谱中不仅存在纤芯导模谐振峰，还存在由光栅倾角导致的前向传播纤芯模耦合到包层中的大量的包层模谐振峰。图2为光栅周期为0.526～0.530 μm时倾斜光纤光栅透射光谱图，由图可以清楚地看出：随着光栅周期的逐渐增大，透射谱的纤芯导模中心波长发生红移，各包层模也同时向长波方向漂移。

仅根据纤芯导模谐振峰位中心波长作为传感参数的传统光纤光栅测量方法，灵敏度和测量精度都受到了限制，且大多只能进行单一光纤测量单一参量。通过对各光栅周期透射谱进行深入研究发现，纤芯导模LP0，1中心波长谐振峰位与包层模LP0，20谐振峰位的波长差Δλ，可以用来衡量包层模谐振峰的偏移情况，从而作为传感器检测参量以达到提高传感器灵敏度的目的。并且通过取用不同的包层模，可以达到同时测量多个参量或同时得到多组测量数据的目的。因此基于上述方法对倾斜光纤光栅周期和波长差进行了进一步研究，其中，倾斜光纤光栅周期、纤芯导模LP0，1中心波长、包层模LP0，20波长与波长差的对应关系如表1所示。

3结论

倾斜光纤光栅作为一种新型光无源器件在诸多传感领域中有着举足轻重的地位，尤其在测量应变等方面更有广阔的应用前景。本文基于模式耦合理论，通过仿真研究得出倾斜光纤光栅透射谱中纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系，将其与相同条件下的光纤布拉格光栅进行对比，发现倾斜光纤光栅周期与波长差的线性拟合度更好。利用这一特点将倾斜光纤光栅应用到应变测量的领域中，能够实现倾斜光纤光栅传感器的高灵敏度测量，且可利用不同模式与纤芯导模的波长差为检测参数可达到同时测量多组数据的目的，大大提高了传感器的测量精度。

参考文献：

[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]张卫华，童峥嵘，苗银萍，等.基于数据融合的倾斜光纤光栅应变测量[J].传感器与微系统，2008，27（8）：103105.

[5]付华，蔡玲.基于数据融合的倾斜光纤光栅温度测量[J].压电与声光，2011，33（6），887889.

[6]牟海维，刘文嘉，孔令富，等.光纤持气率计在气/水两相流中响应规律的实验研究[J].光学仪器，2012，34（5）：6669.

[7]牟海维，段玉波，张坤，等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究[J].光学仪器，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.倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器[D].济南：山东大学，2011.

摘要： 倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅，近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论，仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明，纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度，且能够实现单光纤多测量的目的。

关键词： 倾斜光纤光栅（TFBG）； 透射谱； 周期； 理论仿真

中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.012

引言

倾斜光纤光栅（tilted fiber Bragg grating，TFBG）由于其栅平面与光纤横截面成一夹角的特殊结构，使其能够将纤芯模式耦合到包层中，形成一系列反向传播的包层模式。将倾斜光纤光栅这一特性应用于传感领域中，可提高传感器灵敏度，解决长周期光纤光栅固有的交叉敏感问题[1]，且可以结合数据融合的方法实现单一光纤同时多测量的目的，倾斜光纤光栅在众多领域中显示出了广阔的应用前景[25]。光纤布拉格光栅作为应变传感器的方法已有报道[67]，但仅依靠测量光纤中心波长得到的应变测量结果误差略大，且只能完成单一测量。研究表明，倾斜光纤光栅的栅周期的微小变化对其透射光谱有较大影响[8]。本文用倾斜光纤光栅代替传统的光纤布拉格光栅并将其固定在待测物体上，因沿纤芯轴线方向的应变会引起光纤的长度的变化，进而使光栅周期发生改变，通过倾斜光纤光栅透射谱的变化反映出光栅周期的细微变化，达到测量应变的目的。该方法基于透射谱中纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间的对应关系，采用新的思路研究不同光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响，并阐明其变化规律，为新型倾斜光纤光栅传感器的实际应用提供了理论依据。

1基本原理

倾斜光纤光栅是一种新型光无源器件，其栅平面与光纤轴向存在一定的夹角，这一结构特点使得倾斜光纤光栅能够将纤芯模式耦合进入包层传播。倾斜光纤光栅中的模式耦合主要包括纤芯模之间的耦合、纤芯模与包层模之间的耦合以及纤芯模与辐射模之间的耦合。倾斜光纤光栅的典型结构及传光机理如图1所示，图中

，Λg为倾斜光纤光栅的光栅周期。

2仿真结果与讨论

基于倾斜光纤光栅传感的基本原理及上述应变传感测量方法，对倾斜光纤光栅进行系统的理论仿真，设置仿真参数如下：纤芯折射率为1.460，包层折射率为1.450，布拉格中心波长为1.55 μm，纤芯直径为2 μm，包层直径为60.5 μm，光栅倾角为8°，耦合模式数为20。由于倾斜光纤光栅的特殊结构，使透射谱中不仅存在纤芯导模谐振峰，还存在由光栅倾角导致的前向传播纤芯模耦合到包层中的大量的包层模谐振峰。图2为光栅周期为0.526～0.530 μm时倾斜光纤光栅透射光谱图，由图可以清楚地看出：随着光栅周期的逐渐增大，透射谱的纤芯导模中心波长发生红移，各包层模也同时向长波方向漂移。

仅根据纤芯导模谐振峰位中心波长作为传感参数的传统光纤光栅测量方法，灵敏度和测量精度都受到了限制，且大多只能进行单一光纤测量单一参量。通过对各光栅周期透射谱进行深入研究发现，纤芯导模LP0，1中心波长谐振峰位与包层模LP0，20谐振峰位的波长差Δλ，可以用来衡量包层模谐振峰的偏移情况，从而作为传感器检测参量以达到提高传感器灵敏度的目的。并且通过取用不同的包层模，可以达到同时测量多个参量或同时得到多组测量数据的目的。因此基于上述方法对倾斜光纤光栅周期和波长差进行了进一步研究，其中，倾斜光纤光栅周期、纤芯导模LP0，1中心波长、包层模LP0，20波长与波长差的对应关系如表1所示。

3结论

倾斜光纤光栅作为一种新型光无源器件在诸多传感领域中有着举足轻重的地位，尤其在测量应变等方面更有广阔的应用前景。本文基于模式耦合理论，通过仿真研究得出倾斜光纤光栅透射谱中纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系，将其与相同条件下的光纤布拉格光栅进行对比，发现倾斜光纤光栅周期与波长差的线性拟合度更好。利用这一特点将倾斜光纤光栅应用到应变测量的领域中，能够实现倾斜光纤光栅传感器的高灵敏度测量，且可利用不同模式与纤芯导模的波长差为检测参数可达到同时测量多组数据的目的，大大提高了传感器的测量精度。

参考文献：

[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]张卫华，童峥嵘，苗银萍，等.基于数据融合的倾斜光纤光栅应变测量[J].传感器与微系统，2008，27（8）：103105.

[5]付华，蔡玲.基于数据融合的倾斜光纤光栅温度测量[J].压电与声光，2011，33（6），887889.

[6]牟海维，刘文嘉，孔令富，等.光纤持气率计在气/水两相流中响应规律的实验研究[J].光学仪器，2012，34（5）：6669.

[7]牟海维，段玉波，张坤，等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究[J].光学仪器，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.倾斜光纤光栅表面等离子体共振生物传感器[D].济南：山东大学，2011.