相移光纤光栅传输特性及传感应用的研究

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自光纤光栅问世以来,凭其具有熔接损耗小,抗电磁干扰,耐腐蚀,体积小,测量灵敏度高,成本低廉等优点,迅速在应变传感器、温度传感器,压力传感器等传感领域中得到广泛应用,同时光纤光栅也在光通信领域中成为一大研究热点。随着光纤光栅应用的广泛,各种结构不一的光栅应运而生。相移光纤光栅是在均匀的光纤布拉格光栅中引入一个或多个相移点,从而在透射谱中打开单个或多个极窄的透射窗口。因为相移光纤光栅是基于光纤布拉格光栅制作的,所以相移光纤光栅在具有光纤布拉格光栅特性的同时,又因其透射谱中打开小于1pm的极窄透射窗口,使得相移光纤光栅在传感应用上具有比普通光纤光栅更高的灵敏度和更精确的结果。本文首先对光纤光栅的发展,分类,应用以及制作进行了简要的介绍。然后通过对均匀光纤光栅耦合理论进行推导,在此基础上推导出相移光纤光栅的传输矩阵。基于传输矩阵的分析得知影响相移光纤光栅传输特性的因素主要有:光栅的周期,长度,交流耦合系数,相移量的大小,相移点的数量,相移点的位置。为了进一步研究相移光纤光栅的传输特性,本文利用MATLAB逐一对这些因素进行仿真模拟分析研究。发现光栅周期的改变只影响反射带的带宽,而对主反射带的反射率无影响。主反射带的反射率都随着长度和交流耦合系数的增加而得到提升。长度的增加使得主反射带的带宽变窄,而交流耦合系数的增加恰好起到相反的效果。当交流耦合系数以某一函数变化时,对反射谱具有折射率切趾的效果,使得反射谱得到了很好的改善,更适于应用在传感上。只有相移的大小能改变透射窗口的位置。相移点的位置则能改变透射窗口的透射率。随着相移点数量的增加,两个主反射带之间,出现较多的次反射带,使得光栅具有多波长滤波特性,两主反射带的间距也增大了,但同时降低了主反射带的反射率。通过让具有多个相移点的相移光纤光栅相移点的位置按照切趾函数形式进行分布,两主反射带内侧的旁瓣得到了很好的抑制,但是位于外侧的旁瓣却得到增强。通过分析相移光纤光栅分别在应变和温度的单独影响下,发现其中心波长的漂移与应变和温度的变化呈现出了良好的线性关系。又因为相移光纤光栅的透射窗口极窄,因此就算是在外界因素变化很小的情况下,也能检测到透射窗口漂移量的大小。所以,相移光纤光栅在传感方面,具有比普通光纤光栅具有更高的灵敏度和更精确的结果。
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