第38卷第4期2009年4月光子学报ACTAPHOToNICASINICAV01．38No．4Ap“l2009温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响*孟照方，颜玢玢，桑新柱，余重秀，王葵如，徐大雄(北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京l00876)摘要：阐述了光纤Bragg光栅化学传感的基本原理，推导并利用数值计算得出了腐蚀掉包层后的光纤Bragg光栅的纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系．分析了温度对这种传感器造成的误差．研究表明，温度会造成光纤光栅变化和改变溶液折射率的大小，从而对传感器的测量造成影响．设计了一种温度补偿方案．实验分别研究了低浓度溶液和高浓度溶液中传感头两段不同光栅区的Bragg波长随温度的变化．结果表明：在清水中，传感头两段光栅区Bragg波长受到温度变化的影响基本相同，通过测量波长的差值可消除温度的影响；高浓度溶液中，传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的O．6，与理论的结果基本一致．传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由未被腐蚀光栅区波长漂移量的大小得出，进而可消除温度对溶液传感的影响．关键词：光纤布喇格光栅；化学传感器；折射率；温度补偿中图分类号：TP212．2；TN253文献标识码：A文章编号：1004—4213．(2009)04—775—50引言近年来，光纤布喇格光栅(FiberBraggGrating，FBG)由于其特有的性质得到了普遍的关注和广泛的应用，尤其是在传感领域倍受青睐[1_5]．光纤光栅化学传感器是基于光纤光栅布喇格波长对外界物质折射率的敏感特性制成的一种新型的光纤传感器，可以测量多种化学溶液的浓度，在环境污染、化学物质检测和生态环境保护中有着广泛的应用．在光纤布喇格光栅中，只产生芯模之间的耦合，由于包层的存在，它的谐振波长对外界折射率的变化很不敏感，如果去掉其包层，光栅的谐振波长对外界折射率变化的敏感性就会大大加强，采用氢氟酸腐蚀光纤布喇格光栅包层之后，可以实现其对外界环境折射率的测量，前人在这方面已做了很多工作L6-8]．但是，在测量过程中，温度会引起光栅布喇格波长的漂移，使传感器产生误差，影响传感的准确度．本文就温度对光纤布喇格光栅在化学溶液的测量过程中的影响进行分析，并设计了一种补偿方案．1基本原理在光纤布喇格光栅传感器中，一般是通过监测(布喇格波长的移动来判断被测量的变化．光栅的布’北京市教委科技发展计划(200411232005)、国家自然科学基金项目(60677003)和现代通信系统中新型探测技术与接受模块的研究(XKlool30637)资助Tel：010一62283520Email：mzhaofang@yahoo．co札cn收稿日期：2007—12一ll喇格中心波长为AB一2咒。“A(1)式中，A是布喇格光栅的周期，行硪是纤芯的有效折射率．普通布喇格光栅中，倏逝波在包层内传输时衰减很快，无法达到包层，对外界折射率变化不敏感．若要测量外界折射率的变化，必须除去光纤光栅的包层，这时光栅只是波导结构的弱微扰，在倏逝波的作用下，光纤纤芯的有效折射率与外界折射率存在着一定的依赖关系【gJ．光纤布喇格光栅导模的有效折射率与归一化频率V有关，表示，，rr、Z，z：H一咒毛一f号l(以毛一他：。)(2)、V，一式中起。。是纤芯折射率；哟是包层折射率(原包层腐蚀掉后，表示的是外界折射率)．利用光纤中基模传输的特征方程可以得出U和V的关系，将其关系代入式(2)，可得出纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系，表达式较为复杂，这里略去．特征方程是一个超越方程，可利用数值方法求解，纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系也可通过数值计算得出，如图1．化学溶液浓度的变化会引起其折射率的改变，利用被腐蚀掉包层的布喇格光栅对外界折射率敏感的特性，可以测量化学溶液的浓度．光纤光栅布喇格中心波长随溶液浓度的变化量可以由数值计算得出，通过光谱仪或其它解调装置监测布喇格波长的变化可间接地测量溶液浓度．万方数据776光子学报38卷Su舯岫dil培indcx图1光纤布喇格光栅纤芯有效折射率随外界折射率变化的曲线Fig．1Therelationbetweeneffectiveindexandsurroundingindex2温度对传感器影响光纤光栅用做化学折射率传感器时，温度变化不可避免地会对整个传感过程产生影响，会引起光纤光栅布喇格波...
