单模-多模光栅-单模光纤传感器的热光系数温度灵敏度∗

2019-05-07杨东永葛玉斌

舰船电子工程 2019年4期

杨东永葛玉斌

（1.91550部队大连 116023）（2.中国电子科技集团公司第十一研究所北京 100015）

1 引言

简易的单模-多模-单模光纤（SMS）结构是一种多模干涉器件［1～3］，可作为光纤滤波器［4］和温度、应变、弯曲和折射率传感器［5～13］。基于SMS结构的多参数传感［10～13］由于具有多参数灵敏度，因此具有较好的应用前景，并以光纤布拉格光栅（FBG）附近的光纤光栅作为温度基准，给出了应用实例。然而，SMS结构和光纤光栅的不同位置可能会引入测量误差，尤其是不同位置处温度变化较大时，误差较大。为了避免这一问题，本文通过在SMS结构的多模光栅部分写入FBG，实现了单模-多模光栅-单模（FBG-in-SMS）结构，用于多参数传感。结合SMS光谱特性及光栅光谱，FBG-in-SMS可以实现测量温度和应变响应的同时测量。本文介绍了FBG-in-SMS的综合温度传感特性，详细分析了SMS光谱区和FBG光谱区的温度灵敏度。该结果对基于FBG-in-SMS的多参数光纤光栅传感器的设计具有一定的参考价值。

2 FBG-in-SMS的温度传感模型

FBG-in-SMS的结构如图1所示。在两个单模光纤之间熔接一段多模光纤，然后通过相位掩模法在多模光纤中写入光栅，实现FBG-in-SMS。

当光从FBG-in-SMS左侧入射时，输入单模光纤（SMF）将激励多模光纤（MMF）中的多个模式。在MMF中激发的模式可以通过各个模式的激励系数求出，激励系数可以看作是能量从某一模式耦合进特定模式的容易程度。激励系数越大，光则越有可能耦合进该模式，该模式越容易被激励起来。仿真实验显示，MMF和SMF的折射率分别为1.4655/1.4462和1.4544/1.45，芯径和包层直径分别为105/125μm 和 9/125μm。当光射入 MMF 时，只有LP01-LP06模式的激励系数较大。因此，在MMF中只考虑LP01-LP06六个模式。然后通过相位掩膜法将周期Λ=530.345 nm的1.0cm光纤光栅写入4.6cm多模光纤中。LP01-LP06六个模式经过干涉后耦合到输出SMF。从输出SMF可以直接测量单多模光纤光栅中的传输频谱，如图2所示。

图1 FBG-in-SMS的结构

图2 FBG-in-SMS的传输频谱

图3 不同温度FBG区域的传输频谱

图4 SMS红移透射光谱图

图5 FBG区（标有正方形和菱形的实线）和SMS区（标有圆形的虚线）的温度响应曲线

在光纤光栅区形成的透射谱中，存在几个传输波谷，这是FBG-in-SMS的干涉结果。当温度升高时，光纤光栅的布拉格波长和干涉光谱同时发生红移，如图3所示。光纤光栅区的温度灵敏度取决于光纤光栅布拉格波长在光纤中的漂移量，而漂移量进一步取决于光纤的热光系数和热膨胀系数。在SMS区，MMF中激发模的干扰引起单多模频谱下降，并且传输谱 s(λ)可由下式表示［8］：

其中，s（0λ）是ASE光源的输入光谱，ηi表示功率耦合系数。LP0i和LP0j模之间的相位差：

和透射谱漂移量随温度Δλ的变化可以表示为

其中，λ是SMS区透射谱的初始波谷，ηi和δηi分别表示LPoi，LPoj模式的有效折射率及其随温度的变化值，ΔLSMS表示SMS结构的随温度变化的改变长度，它取决于光纤的热膨胀系数。随着温度的增大，ΔLSMS/LSMS大于零。然而，（δηi-δη）j（/ηi-η）j取决于热光系数，其值可以大于或等于或小于零，这意味着在温度增加时SMS透射谱的波谷可以红移或蓝移。当纤芯和包层的热光系数分别为8.6×10-6和3.0×10-6时，图4给出了单多模区的红移透射光谱图。图5显示了FBG区（标有正方形和菱形的实线）和SMS区（标有圆形的虚线）的温度响应曲线。热光系数仿真实验结果表明FBG区的温度灵敏度远高于SMS区。

3 结果与分析

通过以上分析，我们可以将FBG-in-SMS结构应用于多参数传感。利用光纤光栅区和SMS区的透射谱可以测量环境温度等参数。对于多参数互相作用导致的光谱漂移，可通过优化传感器，使其在FBG区域测量环境温度，在SMS区域时作为温度不敏感传感器以检测其它参数。通过优化光纤的热光系数，可以实现SMS区的温度不敏感传感。单多模光纤光栅传感器的温度灵敏度与纤芯的热光系数αcore和包层的热光系αclad包层的关系如图6所示。光纤光栅区的温度灵敏度主要取决于纤芯的热光系数，通常大于10pm/°C。然而，在不同的热光系数下，SMS区的光谱响应可能是红移或蓝移。通过在光纤芯和包层中掺杂不同浓度的GeO2，并使用合适的包层材料［10］，可以选出最佳的光纤芯层和包层的热光系数，设计出与温度无关的多参数传感器。