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2023-06-08 12:18 |
Ansys Lumerical | 光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟
说明 NN"!kuM nN*:"F/^ 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) _!:*&{ Xt$o$V [attachment=118385] tvEf-z bL9XQ:$C 综述 "b
`R_gG9 AD0pmD 在本示例中要考虑的光纤布拉格光栅(FBG)由具有交替折射率和恒定周期性的纤芯制成。众所周知,沿着光纤主轴的折射率变化可以在布拉格波长(λ_Bragg)下引起反向传播模式的耦合,由以下方程给出: SLi?E vNIQ1x5Za [attachment=118386] #
M18&ld,r a`E1rK' 其中n_eff是布拉格波长下光纤基模的有效折射率,Λ是光栅的周期。均匀的FBG在布拉格波长下起到波长选择镜的作用。在沿着光纤轴的每个折射率不连续处,都会发生微弱的菲涅耳反射。当来自界面的所有反射累积时,光栅在布拉格波长周围产生一个明显由旁瓣包围的反射带。 (-bLP 4cQ|"sOzD 上述方程可以扩展为包括温度(T)对折射率的影响,从而包括布拉格波长:
}0f"SWO> grbUR)f<?- [attachment=118387] d>k"#| /5&'U!:+ [attachment=118388] &
G8tb>q<V {<#~Ya- [attachment=118389] >og-
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)~l 运行和结果 ` Clh; +S
C;@' 步骤1:FDE-计算光栅所需的周期和温度相关有效折射率neff W, -fnJk Y!*F-v@ 我们首先使用FDE求解器获得目标波长下光栅的有效折射率,并计算光栅的所需周期(Λ)。我们计算高折射率区域和低折射率区域的 neff,并将其的平均值作为设计的起点。 ;Q8LA",5d -V'h>K 此案例中光纤由n=1.4725/1.4728(L/H)和R=4.8μm的纤芯和n=1.466和R=62μm的包层组成。使用脚本添加 FDE求解器,并在室温下为光栅中的两个不同位置(高折射率区域和低折射率区域)运行模拟。有效折射率的平均值用于表示光栅的总折射率,并用于估计所需的光栅周期。本例中所考虑的基模的场分布如下所示。正如预期的那样,该模式被很好地限制在光纤的核心区域。 xp;CYr"1} Kq4b`cn{_ [attachment=118390] l/ :23\ M~"93 Q`f^ 步骤2:EME-计算光栅的温度相关透射/反射响应 )a0%62 我们分析了光栅在多个周期内的透射/反射值,模拟区域中只包括光栅的单个周期,但通过使用“周期性”和“波长扫描”特征可以获得长光栅的宽带响应。然后,我们扫描温度,并将传输/反射响应导出为S参数,S参数可用于随后的电路模拟。 IuN:*P c@<vFoq [attachment=118391] :o=a@Rqx kHx6]< [attachment=118392] `p\@b~GM #}|g8gh [attachment=118393] '~;vp A2{s?L, 布拉格波长与温度的关系如图显示,相对于室温下的值,其在1.000摄氏度时偏移15.6纳米。 >xK!J?!K SM1[)jZ- [attachment=118394] XPd@>2 }n[<$*W^ [attachment=118395] ]aqg{XdGt HHXm
4}!;< 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: GAY
f.L" /+zzZnLl-M [attachment=118396] bUS"1Tg]*6 [attachment=118397] =lG/A[66 c2fqueK|:W 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。 *Iir/6myM |xX>AMZc)D 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。 @teNT" X|wg7>kh*` 步骤3:INTERCONNECT-光子电路模拟 K! e51P 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。 w</qUOx 29~Bu5 FBG 温度的电路模拟需要三个要素: ;fl3'.S[ 1、光网络分析仪(ONA),既可作为光源又可作为检测器。 <WCTJ!Z 2、代表 FBG 温度传感器的光学时变 S 参数元件。 jGaI6G'N 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。 #V#sg}IhM? Uk@'[_1z 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。 ;[R#:Rk 2B`#c}PP [attachment=118398] pxgVYr. Y24H`
s1u/ [attachment=118399] d&apu{ m\xlSNW'q 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。
u/S{^2`b y)]L>o~ [attachment=118400] |z%:{ GRq0nhJ 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。 D/x!`&.sN }=T=Z#OgH [attachment=118401] N,F$^ q6 ~;uc@GGo 参考文献: 2?./S)x) 1.Damien Kinet, Patrice Mégret, Keith W. Goossen, Liang Qiu, Dirk Heider and Christophe Caucheteur, “Fiber Bragg Grating Sensors toward Structural Health Monitoring in Composite Materials: Challenges and Solutions”,Sensors 2014, 14, 7394-7419, doi:10.3390/s140407394 A1uo@W 2.Wenyuan Wang, Yongqin Yu, Youfu Geng, and Xuejin Li “Measurements of thermo-optic coefficient of standard single mode fiber in large temperature range”, Proc. SPIE 9620, 2015 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optical Sensors and Applications, 96200Y (10 August 2015); https://doi.org/10.1117/12.2193091 d]!`II .Hill and G. Meltz, “Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview,” in Journal of Lightwave Technology, vol. 15, no. 8, pp. 1263-1276, Aug. 1997, doi: 10.1109/50.618320. ~&\} qz3 3.Hsieh TS, Chen YC, Chiang CC. “Analysis and Optimization of Thermodiffusion of an FBG Sensor in the Gas Nitriding Process.” Micromachines (Basel). 2016 Dec 12;7(12):227. doi: 10.3390/mi7120227. PMID: 30404399; PMCID: PMC6190027. &w"1VOV< 4.Du Yanliang, Li Jianzhi, Liu Chenxi, “A Novel Fiber Bragg Grating Temperature Compensated Strain Sensor”, 2008 First International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems, DOI 10.1109/ICINIS.2008.27 0<'Q;'2* L 5.“The Effect of Temperature and Pressure on the Refractive index of Some Oxide Glasses”, Roy M. Waxler, G.W.Cleek, Journal of Research of the National Bureau of Standards – A.Physics and Chemistry, Vol 77A, No.6, November-December 1973.
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