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不同光栅长度和折射率变化的均匀光纤布拉格光栅的光谱特性

Chiranjit Ghosh1， Quazi Md. Alfred2，比斯瓦吉特·高希3.
  1. 工学硕士(EIE)学生，印度布德旺理工大学
  2. 印度布德旺大学理工学院欧洲经委会系助理教授
  3. 印度Birbhum工程技术学院欧洲经委会系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

讨论了均匀光纤光栅在光栅长度和折射率变化等不同光栅参数下的光谱响应。耦合模理论是分析和获得光纤布拉格光栅光谱定量信息的合适工具。利用弱波导近似，可以得到并简化耦合模方程。通过对这些耦合模方程的求解，可以得到其光谱特性。本文对光纤光栅进行了仿真，分析了光纤光栅的光谱特性。利用R soft等先进的软件模块对光学光纤光栅进行了仿真，并对所建模的光栅传感器进行了不同光栅形状参数、调制深度等不同效率的评估。并讨论了最大反射率、3dB带宽和中心波长与光栅参数的关系。利用仿真结果可以实现对系统的优化和改进。由于目前的工作不仅涉及光纤光栅的理论方面，而且还导致了可用于通信和传感器领域的仿真工具的发展。

关键字
光纤光栅，传感器，带宽，反射率，仿真

介绍
光纤布拉格光栅(FBG)是一种在光纤[1]、[2]中折射率沿传播方向周期性变化的光学器件。光纤光栅的主要特性是在以布拉格波长λB为中心的窄带宽内反射光。光纤光栅的结构有均匀结构、衰减结构、啁啾结构、倾斜结构和长周期结构等。当光在较窄的波长范围内通过光纤光栅时，在布拉格波长发生全反射，除反射光谱中存在一些旁瓣外，其他波长不受布拉格光栅的影响。这些侧叶可以用apozation技术抑制。反射带宽取决于折射率调制的长度和强度。波长的反射也与温度和应变有关。光纤光栅是在光纤芯中通过光纤[3]侧面成像干涉图案而制成的简单固有器件。光纤光栅可以通过将光纤芯暴露在紫外线辐射下制备。这引起了折射率沿光纤核心的变化。 The resulting refractive index changes depend on the UV light exposure and exposure pattern. Several techniques are commonly used to fabricate FBGs: the point-by-point technique, the interferometric technique and the phase mask technique[4],[5].
光纤光栅基于布拉格反射原理。当光通过周期性的高折射率和低折射率交替区域传播时，它在这些区域之间的每个界面上都有部分反射。如果这些区域之间的间隔是这样的，当光在两个反射之间的往返是一个波长的整数时，所有的部分反射叠加在一起，则总反射可以增长近100%，即使单个反射非常小。当然，这个条件只适用于特定的波长。对于所有其他波长，异相反射最终相互抵消，导致高传输。高反射条件称为布拉格条件。光纤光栅由沿光纤[6]，[7]核心的折射率周期性调制组成。光纤光栅传感器基于布拉格波长随光栅间距和折射率的变化而变化的事实。因此，任何引起上述参数变化的物理参数(如温度、应力、应变)都可以使用光纤光栅通过测量布拉格波长的位移或特定波长[8]，[9]的反射系数的变化来感知。光纤的折射率会随着温度的变化而变化，因此光纤光栅的光谱响应也与温度有关。 They are used as flexible and low cost inline components to manipulate any part of the optical transmission and reflection spectrum. The spatial quality of FBGs determines the performance of the FBG based optical communication devices. FBG is the key component for dispersion compensation and WDM[11].

2光纤光栅的基本理论
光沿波导的传播可以用一组被称为波导模的导电磁波来描述。在光纤中，芯包层边界条件导致电场和磁场分量[12]，[13]之间的耦合。
每种模式都有其特定的传播常数。如果在光纤旁引入周期性扰动，模态将交换其功率。这种现象被称为模式耦合。fbg大致可分为两类:
ï ·布拉格光栅(也称为反射和短周期光栅)。其中耦合发生在向相反方向运动的模之间;和
ï ·传输光栅(也称为长周期光栅)，其中耦合是在相同方向上行进的模之间。
光纤光栅是一种简单的光学衍射光栅，因此它对以一定角度入射到光栅上的光波的影响可以用熟悉的光栅方程来描述。
图像
式(2)给出了发生强反射的波长。在物理上，这可以从以下事实来理解:折射率每改变一次，就会反射一些光。如果来自间隔空间周期的点的反射是同相的，那么各种多重反射叠加在一起就会产生强反射。这发生在满足eqn(2)时。利用周期摄动引起的反向耦合的耦合模式理论，可以得到反射系数为
R = tanh2kL
其中L为光纤光栅的长度，k为耦合系数。反射光谱的带宽，在这种情况下被定义为中央峰值两侧两个反射最小值之间的波长间距，约为
图像

3仿真程序的应用
计算机仿真程序[14]、[15]是光纤研究领域中非常重要的工具。在优化设计之前，可以避免使用昂贵而精密的制造系统和仪器。我们可以利用计算机辅助设计和仿真来研究光纤问题。利用仿真程序可以得到理论结果。通过研究理论值与实验结果的差异，可以找到影响系统的因素。利用仿真结果可以实现对系统的优化和改进。该仿真程序可用于分析光纤光栅[16]的光谱特性。用该程序模拟了均匀布喇格光栅。可以得到反射光谱、透射光谱、群时延和色散。还可以得到最大反射率、侧边反射率、半最大全宽(FWHM)。 The relationship between the grating’s variables (e.g. coupling coefficient, length of grating, chirped values) and the output spectrum values (e.g. the maximum reflectivity, bandwidth and centre wavelength) can be calculated by this program.

A.均匀光纤光栅的模拟
本文利用R- soft等先进的软件模块对光学光纤光栅传感器模型进行了仿真，并对所建传感器的光栅效率进行了评价。我们选择了以下参数来构建FBG模型。选用芯径为5.25 μm的单模阶跃折射率光纤。核心指数固定为1.458，指数差值为0.0008。模拟结果表明，光栅的光谱响应随光栅长度和调制深度(折射率变化)的改变而变化。在不同的光栅长度和调制深度下，光纤光栅传感器的反射率和带宽都会发生变化。反射率随光栅长度的增加而增加，而带宽随光栅长度的增加而减小。对于固定长度的光栅，反射率和带宽随模深的增加而增加。仿真结果如表1所示。

B.仿真结果
图像
研究了不同光栅长度下调制深度对均匀光纤光栅振幅反射率谱和带宽的影响。检测FBG信号的FWHM通常用于解释带宽的变化。在固定长度下，随着模深度的增加，反射率和带宽也随之增加。在模拟中使用了5种不同的光栅长度(L=2,5,10,15,20mm)和6种不同的Mod Depth值(0.0003,0.0005,0.0008,0,0012,0.0015,0.0020)。调制深度不仅影响带宽，还影响Bragg ï ¬too中的最大反射率。

结果
图像
调制深度的增加导致布拉格系数的增加，这对反射光纤光栅是非常有利的。另一方面，与此同时，带宽ï  ï Bragg会增加，这对WDM解复用器是有害的。理论上，光纤光栅可以通过简单地增加光栅长度来构造极小的带宽。然而，在实践中，这种设备并不容易制造。因此，建议针对特定的应用进行优化。
图像
图像
图(3 ï '  5)以反射功率随波长变化的图形形式描述了模拟结果。在不同光栅长度下，光纤光栅传感器的反射率、透射率和带宽也会发生变化。
图像
反射率随光栅长度的增大而增大。当光栅长度为10mm时，光纤光栅的反射率达到100%，并且在较长的波长下保持该值。这种趋势与3 dB带宽变化的结果非常相似，但方向相反，反射率随着光栅长度的升高呈指数级增加，如图6-9所示。
图像
从上述结果中，考虑到FBG传感器信号反射率的升高，可以确认模拟的FBG传感器随着光栅长度的增加表现出更好的性能，在光栅长度为10 mm时达到100%的反射，并且在固定带宽下保持稳定。

四。结论
光纤元件建模是光纤传感器和通信系统设计的重要一步。对光纤光栅进行了仿真，分析了光纤光栅的光谱特性。仿真结果可用于分析光纤光栅存在的问题。仿真软件是一种快速、高效、经济的设计和分析光纤系统的方法。本研究的结论如下:
(i)光纤光栅的反射率随着光栅长度的增加而增加。
(ii)反射率随调制深度的增加而增加，在光栅长度为10mm以上时，反射率趋于恒定(100%)，并且在较长的光栅长度下保持该值。
(iii)较高的调制深度和较低的光栅长度可以实现100%的反射。
(iv)光纤光栅传感器的带宽随着调制深度的增加而增加。
从目前的工作来看，利用仿真工具可以实现对系统的优化和改进。随着对光栅的进一步改进和控制的新应用，光纤光栅可以进一步研究长周期光栅。也有必要模拟这些光栅。如果仿真软件能够在互联网上运行，将会有很多潜在的应用。此外，对不同调优技术的持续研究将为更广泛的应用领域打开大门，提供灵活且具有成本效益的组件。

参考文献
  1. Agarwal g.p.，“非线性光纤”，学术，纽约，第2版，1995年。
  2. Ghatak Ajoy, Thyagarajan。K，《光纤导论》，剑桥大学出版社，1999年。
  3. R. Kashyap，光纤布拉格光栅(圣地亚哥，加州:学术出版社，1999年)。
  4. Singh Ivahar, Jain Subhash C.和Agarwal A.K，“利用相位掩模技术制备In- Fiber Bragg光栅”，当代物理和能源进展全国会议，第172-173页，2002年2月8-9日。
  5. Oleg V. Ivanov，“使用相位掩模制备光纤布拉格光栅的近场效应”，光通信，第229卷，第1期- pp 167-172, 2004年1月2日。
  6. Agarwal g.p.，(再版2012)，“光纤通信系统”，威利印度。
  7. Othonos A.和Kalli K.，光纤布拉格光栅:基本原理和在电信和传感中的应用(波士顿:Artech House, 1999)。
  8. Kersey a.d.，“光纤传感器技术的最新发展回顾”，光纤技术，第2卷，291-317页，1996年。
  9. K. O. Hill和G. Meltz，“光纤光栅技术:基础和概述”，j .光波技术，15,1263-1276(1997)。
  10. Khan Imran, Ahmed Istiaq，“基于光纤光栅的传感器传感原理分析”，IOSRJEEE, ISSN 2278-1676卷1，第3期，pp. 01-06，(2012年7月- 8月)。
  11. Singh Harpreet，“光学和光电子电路的实现”。应用光学，第8卷，pp 178-181, 1989年1月。
  12. 高级。John M，“光纤通信”，Prentice Hall of India Private Ltd, 2nd Edition, 2004。
  13. Keiser Gerd，“光纤通信”，McGraw Hill国际版，2000年。
  14. T. erdon，“光纤光栅光谱”，J.光波技术，第15卷，第1277-1294页，1997年8月。
  15. Tzolov V，冯D, Tanev S, Jakubczyk Z，“集成光学器件的建模工具”，集成光学器件III，光子学报，99,C.A, pp 23-29, 1999。
  16. Ugale Sunita等人。“基于光纤光栅的光纤光栅建模与优化”，光子学报，2010年第2卷，第2期，第1 - 9期。
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