说明
-~w'Xo # n$R)>nY 该示例演示了一种基于
光纤布拉格光栅(FBG)的温度
传感器,因为光纤折射率会随温度而变化,导致其布拉格
波长发生偏移,所以可以被用作温度的测量。(联系我们获取文章附件)
5^ Zg>I tuX|\X
xE}>,O|'q 53h0UL 综述
dE3) |% ;tf=gdX; 在本示例中要考虑的光纤布拉格光栅(FBG)由具有交替折射率和恒定周期性的纤芯制成。众所周知,沿着光纤主轴的折射率变化可以在布拉格波长(λ_Bragg)下引起反向传播模式的耦合,由以下方程给出:
HzJz+ x: L~3Pm%{@A
!G|@6W` (8OsGn 其中n_eff是布拉格波长下光纤基模的有效折射率,Λ是光栅的周期。均匀的FBG在布拉格波长下起到波长选择镜的作用。在沿着光纤轴的每个折射率不连续处,都会发生微弱的菲涅耳反射。当来自界面的所有反射累积时,光栅在布拉格波长周围产生一个明显由旁瓣包围的反射带。
U<XG{<2 zt%Mx>V@ 上述方程可以扩展为包括温度(T)对折射率的影响,从而包括布拉格波长:
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8P`"M#fI a+QpM*n7Lq
!)$Zp\Sg 5h*p\cl!Y
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XN1I Hn:Crl y# 运行和结果
]M3yLYK/P zuCSj~ 步骤1:FDE-计算光栅所需的周期和温度相关有效折射率neff
%iB,IEw +7}]E1Uf 我们首先使用FDE求解器获得目标波长下光栅的有效折射率,并计算光栅的所需周期(Λ)。我们计算高折射率区域和低折射率区域的 neff,并将其的平均值作为设计的起点。
2g<Xtt7+o EQ_aa@M7 此案例中光纤由n=1.4725/1.4728(L/H)和R=4.8μm的纤芯和n=1.466和R=62μm的包层组成。使用脚本添加 FDE求解器,并在室温下为光栅中的两个不同位置(高折射率区域和低折射率区域)运行模拟。有效折射率的平均值用于表示光栅的总折射率,并用于估计所需的光栅周期。本例中所考虑的基模的场分布如下所示。正如预期的那样,该模式被很好地限制在光纤的核心区域。
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pR_9NfV{ wIgS3K 步骤2:EME-计算光栅的温度相关透射/反射响应
uAk.@nfiEv 我们分析了光栅在多个周期内的透射/反射值,模拟区域中只包括光栅的单个周期,但通过使用“周期性”和“波长扫描”特征可以获得长光栅的宽带响应。然后,我们扫描温度,并将传输/反射响应导出为S参数,S参数可用于随后的电路模拟。
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'ga/ ^J{:x 布拉格波长与温度的关系如图显示,相对于室温下的值,其在1.000摄氏度时偏移15.6纳米。
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TqQ[_RKg2 +`15le`R 还可以得到光栅在给定温度范围内的灵敏度。灵敏度定义如下:
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I =#$8l.*
iow"n$/ QV8g#&z 考虑到参考文献中缺乏有关材料的信息,模拟的灵敏度(9.4 pm/℃)与公布的结果(7.2 pm/℃)存在差异。这种差异可能主要来自材料
参数的差异,而参考文献中并未完全提供这些参数。
[>9is=>o. ->jDb/a{C 该脚本还提取与温度相关的S参数,并将其保存为S参数文件格式(fbg_S_param_T.dat),以便在下一步进行 interconnect 电路模拟。
A}^mdw9 =MWHJ'3-/ 步骤3:INTERCONNECT-光子电路模拟
O0:q;<>z 使用
光学时间调制 S 参数元件将与温度相关的S参数导入 INTERCONNECT,用于模拟 FBG 温度传感器。我们扫描温度并测量传感器在不同温度下的反射
光谱。当需要附加 PIC 元件对 FBG 的整体性能的影响时,该电路模型仿真是有用的。
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L U QWU-m{@~& FBG 温度的电路模拟需要三个要素:
7$#u 1、光网络分析仪(ONA),既可作为
光源又可作为检测器。
L50n8s 2、代表 FBG 温度传感器的光学时变 S 参数元件。
(At$3b6 3、用作温度控制器并连接到 FBG 温度传感器元件的直流电源。
8,|k ao: l"]V6!-U 下图为电路仿真的原理图设计。按下运行按钮,模拟将计算温度传感器在25°C室温下的反射光谱。右图显示了反射率光谱,右键单击 ONA,然后显示结果即可获得反射率光谱。
F[MFx^sT{ YZ7.1`8
#;S*V" p}P-6&k,U
0}9h]X' sRfcF`7 接下来,在
优化和扫描选项卡中运行“Gain_vs_Temperature”扫描,以计算一系列温度的反射光谱。使用扫描参数生成可编辑温度系列的反射光谱。
r<\u6jF U!]dEW|G
|a@L}m ,u m|1dh 下图显示了25℃至1000℃温度范围内的光谱。根据文献显示,在100℃至500℃的温度范围内,布拉格波长偏移为4nm。我们的模拟结果显示,在相同的温度范围内,4.5nm的数值相似。
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