多模光纤光栅温度特性研究

光纤光栅温度特性分析光纤光栅反射光的布拉格波长λB满足如下公式：λB=2neff*Λ（1），式中Λ为光栅的周期，neff为光线的固有折射率。当光栅的温度发生变化时。光栅的折射率和光栅的周期都会放生变化，从而形成了一个新光栅的折射率和周期，似的原来的光纤光栅的布拉格波长发生漂移。布拉格波长也随温度的变换的关系如下：∆λ=（α+ξ）*∆T*∆λB（2）温度灵敏度公式：∆λ/∆T=（α+ξ）*λB（3）∆λ表示温度变化造成的λB漂移温度，α为光纤材料的热膨胀系数，描述光栅的有效折射率随温度的变化；∆T温度变化量。Δλ与ΔT之间呈现线性关系,通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλ,便可确定光栅外的环境温度。对于石英光纤通常α为0.55×10-6℃-1,ξ为7×10-6℃-1,通过计算得到布拉格波长为1310nm多模光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃。多模光纤光栅的反射波为多峰结构,并满足下列关系[4,8]:β=2πλn11-4ΔN+1V,(4)β为传播常量;n1为芯径的折射率;Δ为相对折射率之差;N为主模的阶数;ν为归一化频率(ν=2παNA/λ)。(4)式根号中第二项比1小得多,数值孔径NA=n12Δ,当满足布拉格条件时有β=π/Λ。通过对(4)式进行微分化简整理后可得到对掺锗的石英光纤dn1/dT和dn2/dT在波长为589nm时为1×10-5℃-1。热膨胀系数α=(dΛ/dT)/Λ为0.55×10-6[1,9]。参照以上数据,可得到(5)式右边第一项要比第二项和第三项小一个数量级。这说明对温度灵敏度的影响受折射率的变化要比热膨胀显著。文献[7]推导的方程计算得到温度灵敏度dλ/dT随N的变化最大不超过1.3%。本文对(4)式重新进行推导得到方程(5)式,经过计算得到温度灵敏度dλ/dT随N的变化最大不超过0.07%。因为这些值很小,所以各模式反射波的温度灵敏度几乎是一样的,即多模光纤光栅的多个反射峰的布拉格波长随温度变化的漂移幅度是相同的。实验过程实验采用长飞光纤光缆公司生产的渐变型多模光纤,纤芯直径为50μm,数值孔径为0.2,包层直径为125μm。为了提高多模光纤的光敏性,将多模光纤置于氢气高压器中,在常温下渗氢(载氢)两周。我们采用相位掩模板复制法制作多模光纤光栅,写入光栅的紫外光源为波长248nm的准分子激光器(德国LambdaPhysik公司的COMPEX150T型)。多模光纤光栅写好后在80℃温度下退火48h就得到实验用的多模光纤光栅。温度传感特性的实验装置如图1所示。光源为1300nm的超发光二极管(SLED),型号为5S423,带宽为50nm左右,功率为100μW;OSA(Opticalspectrumanalyzer)为AQ26317B光谱仪,波长分辨率设置为0.05nm。光纤布拉格光栅置于恒温控制箱中。光源发出的宽带光经光分路器(coupler)耦合进多模光纤光栅,光栅反射回来的光再经过光分路器传输到AQ26317B光谱仪进行反射数据检测;或者从光纤光栅的另一端直接接入光谱仪,进行透射数据检测。SLEDcouplerOSAFBGFig.1Schematicdiagramofmeasurementtemperature.SLED:superluminescentdiode实验中,将19℃作为温度起点,控制恒温箱的温度,使箱内温度逐渐升高,温度每升高10℃让恒温控制箱温度恒定,分别测量透射图谱与反射图谱,并记下三个反射峰的布拉格波长,恒温箱的温度控制范围19～200℃。由反射图谱测得的三个反射峰的布拉格波长和透射测得的三个反射峰的布拉格波长基本相同,故本文只采用透射图谱的数据进行分析。Fig.2TransmissionspectrumofFBGatdifferenttemperature.(a)T=19℃,(b)T=200℃Fig.3TansmissionspectrumofFBGatdifferenttemperature.(a)T=19℃,(b)T=200℃从图2、图3中可以看出:每一多模光纤光明显的3个反射峰,其中1#多模光栅反射峰1、2、3的布拉格波长分别由1310.26nm、1309.66nm、1309.14nm变为1312.00nm、1311.46nm、1310.94nm,相同温度下,各反射峰之间的间隔基本为0.5nm;2#多模光栅反射峰1、2、3的布拉格波长分别由1310.42nm、1309.90nm、1309.38nm变为1312.20nm、1311.64nm、1311.12nm,相同温度下,各反射峰之间的间隔基本为0.5nm。图4中各种点标记为原始数据所做的曲线图,直线为拟合曲线,可以看出所作的拟合曲线与实验数据相当重合,某些微小偏差,可能是由于箱门密封性不好,测谱时箱内温度场还没有达到热平衡所致。从图4中所作的拟合曲线的公式可以看到1#多模光栅3个反射峰的温度灵敏度分别为0.0098nm/℃、0.0099nm/℃、0.0099nm/℃;2#多模光栅3个反射峰的温度灵敏度为0.0098nm/℃、0.0099nm/℃、0.0099nm/℃,即每个峰平均每升高1℃向长波方向漂移约10pm(0.01nm)。本实验结果与根据光纤的热膨胀系数和热光系数计算得到的结果0.01nm/℃很吻合,这表明各反射峰随温度的升高向长波方向漂移的幅度相同。这与多模光纤光栅的温度特性理论中各反射峰的温度关系分析一致。从拟合曲线可知各反射峰随温度的变化都呈良好的线性关系,并且1#多模光栅与2#多模光栅的温度灵敏度基本相同,而且多次进行温度实验,多模光栅的温度灵敏度为0.0098nm/℃,可以看出多模光栅的重复性相当好。Fig.4TemperatureresponsecurveofFBG.(a)1#grating(equationofeachpeakλ1=0.0098X+1310,λ2=0.0099X+1309.5,λ3=0.0099X+1308.9),(b)2#grating(equationofeachpeakλ1=0.0098X+1310.2,λ2=0.0098X+1309.7,λ3=0.0099X+1309.1)1#退火后的波长为1310.26nm,而进行温度实验后的波长为1310.08nm。2#光栅退火后的波长为1310.42nm,经过温度实验后测的常温下的布拉格波长为1310.26nm,与进行温度实验前的波长相比漂移了约0.2nm。这一实验结果表明,若要将光纤光栅作为高温传感器使用时,应先进行高温退火处理。结论本文对布拉格波长为1310nm的多模光纤光栅的温度特性进行了实验研究,表明多模光栅的布拉格波长随温度的变化呈现良好的线性关系,与理论分析吻合;多模光纤光栅实验的重复性优良,其特性与单模光纤栅的传感特性接近相同,故可以用多模光纤光栅可以降低传感器产业化成本;由于多模光纤光栅具有多峰结构的特点,有可能解决一直困扰单模光纤光栅温度与应力交叉敏感的问题[10～13]与光栅解调中匹配光栅易受外界因素影响的问题,这对于光栅解调仪很有用处,故对多模光纤光栅的研究具有十分重要的意义。