LPFG镀层参数对其折射率传感特性的仿真分析.doc

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1、第 48 卷 第 1 期 激 光 与 红 外 Vol 48， No 1 2018 年 1 月 LASE INF A ED January， 2018 文章编号： 1001 5078（ 2018） 01 0099 05 光纤及光通讯技术 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 310018） 中国计量大学 浙江 杭州 摘 要： 长周期光纤光栅在传感测量领域具有防爆、防磁、抗干扰等优点，且对周围介质折射率 的变化敏感，适用于矿井、油田等易燃、易爆、强电磁干扰环境及具有毒性、腐蚀性等不宜接触 的液体的折射率测量。本文采用在长周

2、期光纤光栅包层外沿径向镀一金 属薄层的方式，从长 周期光纤光栅传感原理着手，利用三包层模型的本征方程，并借助 MATLAB 进行方程求解和 仿真分析，讨论了包层模序数、光栅周期、膜层厚度等参数与谐振峰中心波长偏移的关系。为 合理选择光栅结构参数、制作符合要求的长周期光纤光栅用于折射率传感测量提供了依据。 关键词： 镀膜 LPFG； 折射率传感； 模序数 光栅周期 膜厚； ； 中图分类号： TN253 文献标识码： A DOI： 10 3969 / j issn 1001 5078 2018 01 018 Influence of LPFG plating parameters on sensi

3、ng properties of its refractive index ZHOU Yan， WANG Tian gen， GUO Bing （ China Jiliang University， Hangzhou 310018， China） Abstract： Long period fiber gratings （LPFG ） can be used in the field of communication and sensing， especially measurement of flammable， explosive， EMI environment and caustic，

4、 venenous liquid because of their excellent proper- ties such as anti magnetism， anti noise， anti explosion and so on A metal film was plated on the surface of LPFG cladding Based on LPFG sensing principle and its intrinsic equation， the modeling and simulation were carried out， and the influences o

5、f the parameters such as number of mode， period of LPFG， film thickness on harmonic peak wave- length were discussed The obtained conclusion can provide a reference for selecting rational structure parameters of LPFG used for sensing measurement of refractive index Key words： metal plating film LPFG

6、； sensor for refractive index ； number of mode ； period of LPFG； film thickness 1 引 言 的光纤器件 。按照折射率调制周期的大小可分为光 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 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 ，并且可通过 腐 蚀包层 镀膜 级联等方

7、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。 ： （ 1989 ） ， ， ， 。 E mail： duckzy2006 126 com 作者简介 周 艳 女硕士研究生 主要研究方向为传感器设计与开发 通讯作者： 王天根（ 1957 ） ，男，博士研究生，教授，研究方向为装甲材料的开发，测试和计量。 E mail： 14a0503080 cjluedu cn 收稿日期： 2017 04 27； 修订日期： 2017 06 02 1 100 激 光 与 红 外 ， 。 第 48 卷 工业生产中液体浓度的检测监控必不可少 、 、 、 但 包层模本征方程求

8、解得到 ， 在测量环境为诸如矿井 油田等易燃 易爆 强电磁 分析方程可知 包层模的有效折射率与入射波 干扰时，或者被测对象为毒性、腐蚀性等不宜接触的 ， ， 长 、纤芯折射率 n a 、 n 1 、半径 a1 、 、包层折射率 n2 a a 、半 液体时 除了要求传感元件的精确度和灵敏度外 2 还 径 2 镀层折射率 3 镀层厚度 3 2 以及环境折 要求其具有防爆 、防磁 、抗干扰等特性 。 LPFG 3 对 射率 n 4 有关。 计算时选用 Coning 公司 SMF 28 光 周围介质折射率、浓度的变化 非常敏感 ，因此研 纤， a1 = 4 15 m， a2 = 62 5 m，n 1

9、= 1 4681，n 2 = 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， 1 4628，所选镀层材料为金属镍，其折射率 n3 83 + 6 82i， ， = 3 n 折射率的检测具有重要意义。 计算时忽略金属折射率虚部 即取 3 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 = 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 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

10、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 。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 、 2 3 2 径 向所镀金属膜层厚度。 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

11、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 m，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。 图 1 镀膜 LPFG 结构示意图与折射率分布图 n co eff Fig 1 Strucure and refractive index model of fil

12、m plated LPFG 镀膜 LPFG 相位匹配条件满足： co cl 用有效折射率表示为： LP eff eff 谐振峰中心波长 LP 是关于纤芯模有效折射率 、包层模 有效折射率 neff 以及光 栅周期 的函 cl ， ， n ， 数 当外界环境折射率发生变化时 5 4 a ， a a ，n eff ， 随之改变 弱 导近似 时 eff 不受 外界环境 影响 cl 所以当 选定 时，谐振波长仅由 n eff 决定，可由文献 4中给出的 激 光 与 红 外 No 1 2018 周 艳等 LPFG 镀层参数对其折射率传感特 性的仿真分析 101 图 2 一阶 3 至 6 次包层模谐振波长

13、与环境 折射率关系曲线 Fig 2 elationship of resonant wavelength and environmental refractive index for 3， 6 mode 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 Tab 1 The resonant wavelength offset of 3， 4， 5， 6cladding mode 谐振波长 n 4 = 1 00 n 4 = 1 45 d / nm v = 3 v = 4 v = 5 v = 6

14、1432 01183389897 1510 15101649457 1598 02777695079 1697 39354564014 1432 04949961916 1509 77019029308 1598 06746547689 1696 64787136010 0 037665720190034 0 380826201489981 0 039688526100008 0 745674280040021 11 线 令膜厚 450 nm，周期为 320 m，计算得 到一阶 至 14 次包层模谐振波长随环境折射率的变化曲 ，如图 3（ a） 、（ b） 、（ c） 、（ d） 所示。 环境

15、折射率 n4 分别为 1 0， 1 45 时所求解的谐 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 振波长值具体数值参照表 2。 Fig 3 elationship of resonant wavelength and environmental refractive index for 11， 14 mode 102 2 3 、 4 、 5 、 6 激 光 与 红 外 第 48 卷 ， 表 一阶 次 次 次 次模谐振波长 因一定的膜层厚度将使谐振波长发生跳变 。 = 400 故此处 m， Tab 2 The resonant wavelength offset 对膜

16、厚做进一步分析 令光栅周期 膜 谐振波长 n 4 of 3， 4， 5， 6cladding mode = 1 00 n4 = 1 45 d / nm 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） v = 11 v = 12 v = 13 v = 14 1443 43930824391 1511 20291971282 1686 54262918672 1749 54712232406 1443 49227851322 1

17、509 55222778791 1686 62460327745 1747 20133710210 0 052970269309981 1650691924910007 0 081974090730000 2345785221959886 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 10 35 nm。 分析以上曲线和表中数据，得出以下结论： 阶 次包层模的谐振峰中心波长偏移高达 （ 1） 随环境折射率增大 ，奇次包层模谐振峰中 具体数值见表 3。 心波长向长波 方向移动；

18、 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 m 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 m 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

19、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， ， 。 （ a） 一阶 6 次包层模式 （ b） 一阶 8 次包层模式 图 4 一阶前 14 次包层模式膜厚与谐振波长关系曲线 图5 （ c） 一阶 10 次包层模式 一阶 6、 8、 10 次包层模谐振波

20、长与环境折射率关系曲线 Fig4 elationship curve of the thickness of the cladding mode and wavelength for 14 modes Fig 5 elationship of resonant wavelength and environmentalrefractive index for 6， 8， 10 mode 激 光 与 红 外 5 No 1 3 2018 ： 周 艳等 LPFG 镀层参数对其折射率传感特 性的仿真分析 1 0 ， 103 分析图 1 45 和表 ， 中数据 6 、 8 当环境折射率由 、 10 长对环

21、境折射率的响应 更灵敏 。 这为优化传感器设 变化至 时 一阶 次 次 次包层 模式谐 计提供了有价值的参考 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 参考文献 ： 量 ； 一阶 6 次 、 8 次、 10 次包层 模式 都是在 金属 膜 1 GAO Kan esearch on propertites and application of 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

22、 次、 8 次、 10 次模谐振波长偏移量 Tab 3 The resonant wavelength offset of 6， 8， 10cladding mode 谐振波长偏移量 v = 6， d / nm v = 8， d / nm v = 10 ， d /nm 膜厚 400 nm 0 557824260379903 0 948677628542100 1 467552370914973 膜厚 450 nm 0 542308567300097 0 912470981706065 1 408503349864986 膜厚 500 nm 2 729391798529832 4 8248323

23、57018977 7 850586933599971 膜厚 550 nm 20 465106603679942 28 189090922126070 35 237244155616963 膜厚 600 nm 0 783914012459945 1 347786478157104 2 092980330648061 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

24、。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 2 3 4 5 Long Period fiber gratings D Shanghai： Shanghai In- stitute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy Sciences， 2004 （ in Chine

25、se ） 高侃 长周期 光纤光 栅的特 性及应 用研 究 D 上 海： 中国科学院上海光学精密机械研究所， 2004 GU Zhengtian， DENG Chuanlu Application and develop- ment of coated fiber grating J Chinese Journal of Laser， 2009，（ 6） ： 1317 1326 （ in Chinese） 顾铮先 邓传鲁， 镀膜 光纤 光栅 应用 与发 展 J 中国 激光， 2009，（ 6） ： 1317 1326 TONG Zhi， WEI Huai esearch on effect of

26、 environmen- talrefractive index on Long Period Fiber Gratingsprop- ertites J Acta Optica Sinica， 2002， 22 （ 9 ） ： 1088 1091 （ in Chinese） 童治，魏淮 环境 折射 率变 换对 长周 期光 栅特 性影 响 的研究 J 光学学报 ， 2002， 22（ 9） ： 1088 1091 XIAN Jinzhao esearch on theoretical propertites of the coated LPFG D Guilin： Guangxi Normal

27、 University， 2012 （ in Chinese） 咸锦照 镀膜 LPFG 的理 论特 性研 究 D 桂 林： 广西 师范大学， 2012 ZHANG Zijia， SHI Wenkang， GAO Kan， et al Theoretical and experimental investigation of metal coated long period fiber gratings J Acta Optica Sinica ， 2004， 24 （ 7） ： 897 901 （ in Chinese） 张自嘉，施文 康，高侃，等 金 属包 层长 周 期光 纤光 栅 的理 论 和 实 验 研 究 J 光 学 学 报， 2004， 24 （ 7） ： 897 901