边孔光纤双折射的分析及其测量

边孔光纤双折射的分析及其测量 2006年第25卷第2期传感器与微系统(T啪8ducerandMicrosystemTechnologies)73 边孔光纤双折射的分析及其测量 孙崇峰,李智忠,胡永明,杨华勇,张学亮 (国防科学技术大学光电科学与工程学院.湖南长沙410072) 摘要:采用有限元分析方法对边孔光纤的双折射进行了理论分析;利用偏振态的周 期性变化对边孔光 纤的双折射进行了测量,同时,利用边孔光纤Bragg光栅反射光谱对测量结果作了 对比分析.测量结果与 理论分析偏差小于8%,与光谱实验结果也相吻合,证明了测量方法的可靠性,可行 性.所提出的偏振态 易于实现等优点,对长拍长的光纤是一种实测量方法具有系统精简,调节环节少, 用的双折射测量方法. 关键词:光纤光学;边孔光纤;双折射;偏振态 中圈分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1000—9787(2006)02—0073—03 Analysisandmeasurementofbirefringenceofside-holefiber SUNChong—feng,LIZhi-zhong,HUYong-ming,YANGHua-yong,ZHANGXue-liang (InstituteofOptoelectrontcSdenceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology, Changsha410072,China) Abstract:Finiteelementsmethod(FEM)isperformedonthebirefringenceofside.holefiber(SHF).The measurementrelatedwiththeperiodicalalternationofthepolarizationstateisintrodueedtomeasurethe birefringenceofSHF,whilethereflectionspectrumoffiberBragggratingwritteninSHFisutilizedtoanalyzethe measuredbirefringeneeofSHF.Themeasuredresultisles8than8%differentfromtheFEMre sult.andisaccord withtheresultofspectrumexperiment.A1lresultspmvethatthemeasurementisreliableandf easible.The measurementproposedpossessestheadvantagesofsimplersystem,lessadjustmentandeasi ertorealize,itisa practicalmethodtomeasurethebirefringeneeoffiberwithlongerbeat-length. Keywords:fiberoptics;side—holefiber(SHF);birefringence;polarizationstate 0引育. 边孔光纤具有特殊的双折射特性,用其制作的边孔光 纤光栅可克服压力传感中的压力与温度交叉敏感问 题"J,在光纤压力传感中具有广泛的应用前景,已经引起 国内外研究机构的极大兴趣.据报道,边孔光纤光栅 双峰间距在静水压力作用下的灵敏度可达到8pm/MPa.而 其温度灵敏度仅为0.03pro/%L2,压力与温度交叉敏感问 题得到相当大的改善. 边孔光纤的双折射是研究边孔光纤光栅的重要基础. 更是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和使用边孔光纤光栅的重要依据.在研究过程 中,采用有限元方法对边孔光纤的双折射进行了理论计算, 在此基础上,对边孔光纤双折射进行了实验测量.研究中, 提出了利用偏振态的周期性规律对逐段截断测量法进行改 进,提出了系统精简,易于实现的测量方法,并对边孔光纤 的双折射进行了测量;同时,利用边孔光纤光栅光谱的双峰 间距测量结果对边孔光纤双折射的测量结果进行了分析和 比较. 收稿日期:2005—07—21 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(60377029) 测量结果与理论分析相吻合,测量偏差小于8%,满足 了实际测量所需的1O%测量偏差要求,并为边孔光纤光栅 反射谱实验所验证.不仅验证该实验方法的可靠性,可行 性以及理论分析的合理性,同时,也为边孔光纤的后期应用 提供了重要的技术参数. 1边孔光纤的双折射特性 边孔光纤是在光纤纤芯的两侧平行于纤轴对称地开出 2个中空通道而成的.图1为边孔光纤裸纤的结构示意 图.边孔的存在使光纤受到非对称性的应力作用,使光纤 中相互垂直的两偏振光的折射率发生改变,从而产生双折 射现象,双折射B的大小为 一 ,(1)(卢+卢)/2( n+n)/2',' 式中,,,分别为,y两偏振方向上的传播常数 和有效折射率. 边孔光纤的双折射特性表现在本征双折射和诱导双折 射2个方面.边孔光纤的诱导双折射是在外界环境(如,压 74传感器与微系统第25卷 力,温度等)发生变化时,边孔光纤的双折射发生变化的现 象,这是边孔光纤用于传感的依据.理想的压力传感器,其 诱导双折射应尽可能地降低压力和温度交叉敏感问题. 边孔光纤的本征双折射是光纤在成纤以后就具备的双 折射,它是由2种效应共同作用的结果.一是纤芯的非圆 对称性所引起的,称为几何双折射,当纤芯的椭圆度不大 时,几何双折射常可忽略;二是在成纤过程中,光纤由高 温熔融温度降到常温时,光纤中非对称的热应力所引起的, 称为应力双折射.理论分析结果表明:边孔光纤的双折射 受几何结构和分布,材料力学和热学性能等因素的影 响1.6]. 图1裸边孔光纤结构示意圈 Fig1lh即leofbaredSHF 用于制作光纤光栅传感器的边孔光纤的参数:纤芯半径 口=4.3瑚,包层半径占=62.5瑚,边孔半径dI=15.6瑚,边 孔孔心与纤心的间距(图1中的孔芯距)d2=26.3m,纤芯 有效折射率‰=I.465,泊松比=0.173,弹光系数P,.= 0.121,p12=0.27,纤芯的热膨胀系数n1=3.15×10一/~C, 包层的热膨胀系数n2=5.5×10,/~C,光纤的固化温度 '=850?,室温f.=30?,由有限元分析得边孔光纤芯区中 的应力分布如图2所示. 宝 翅 距离/岫 图2边孔光纤在芯区内的应力分布 Fig2StressdistributionofSHFwRhincore 由图2可看出:由于热应力的作用,,,,方向上的应力 明显不同,由弹光效应可知,两偏振方向上的折射将发生不 同的变化,从而出现双折射. 图3为芯区内的双折射口分布.图中,B<0,由 式(1)知,轴(即连接边孔的轴)为快轴;在纤心处的双折 射最大,一一2.33×10一,远离纤芯时双折射不断减小, 纤芯区域中,双折射的有效值B,一-2.25×10,. 蚕 菩 距离/岫 图3边孔光纤芯内的双折射分布 Fig3B-distributionofSHFwithincore 2双折射测量原理 由上述分析知,边孔光纤的边孔连线方向为快轴方向, 其双折射值为l0数量级.如工作波长A=1550nm,其拍 长在几十毫米范围.对这种拍长较长的光纤,选用逐段截 取法测量其双折射较为容易实现.已报道的逐段截取 法[Tj需用补偿器做相位补偿,所用的诸如斩波器,锁相放 大器及相应的信号处理单元使系统较为复杂,为此,设计了 依据偏振态周期性变化的拍长测量方法. 假设进入边孔光纤的光矢量与光纤主轴方向成n角, 其在光纤两主轴方向上分量分别为Eo和,在边孔光纤 的出射端,用检偏器可 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 出最大光强,咖和最小光强 ,皿其比值由下式决定 :: ,(2)l mi1一l—D2sin2A~p, 式中?妒为两偏振光在待测光纤出射端的位相差;D= 2EoE0/(或+E,)?1,当入射角为n=45.时,Eo,, 于是,有D=1,由三角变换可得 co82Aq=cos(2×2+o) -l_2sin21一,(3) 式中.为光纤的双折射拍长,mm;z为某测量点的待测 光纤长度,mm;~o.为两偏振光在光纤入射端所具有的初相 差. 图4为偏振态拍长测量法的实验装置图.激光光源经 隔离,起偏,使偏振光与边孔光纤的主轴方向成45.入射. 经检偏器接光功率计.在光纤末端依次截取相同长度的光 纤,测量位置处的最大,最小光强(即,一,,,单位为 76543210987 88888888777 第2期孙崇峰等:边孔光纤双折射的分析及其测量75 dBm),换算出光功率比值后,由式(2)进行余弦函数拟 合,可求出边孔光纤双折射的拍长L. I激光光源H光隔离器H起偏卜圈'二=-二=检偏器H光功率计l z=0: 圈4儡摄态原曩拍长测?实验原曩圈 4Sd~meofbeat-leq~mc~m'mnentbased onpolarlzaflm 3测?结果与分析 实验中,截取长度分别为LI一16.0mm,厶一25.0mm 进行2次测量,实验数据如表l所示. 衰1截断法测?数据 TIb1Measurementda纽ofUlmcatlenmethod 数据拟合可得L=50.83mm,LPl=50.31mm,取平均 可得L.=50.6?0.3mm. 得到边孔光纤双折射的测量值为 lB.-=去:2.?一. 与理论计算结果的偏差为 = 孕--7.112510%.1丑. 12.×… 取工作波长A=l550nm,边孔光纤光栅反射谱双峰间 距应为?A=AB,=36.Ipm.实验中,测得边孔光纤光栅在 3O?的双峰间距为44.6pm.实验所得的双谱曲线如图5 所示. 星 盘 嘏 岖 理 髫 温度/? 圈5边孔光纤光栅两峰值反射波长阻疆度的变化 5Peakwavelengthdependence011tempenstureof reflectionalduaJ~ofFBGinSHF 在边孔光纤光栅的制作过程中,要对光纤纤芯进行掺 杂,这将使光纤纤芯的折射率/'t增加,泊松比增加,杨氏 模量E减小,由光纤的弹光效应可得材料的压光系数为 c=(1+)(-).(4) 所以,纤芯掺杂后,光纤的压光系数明显提高,导致光 纤光栅中双折射增大,边孔光纤光栅双峰间距较理论分析 结果明显增加,考虑到这种效应,上述2种测量测量结果是 相吻合的. 4结柬语 理论计算得到边孔光纤的双折射值为2.25×10,,偏 振态测量法测得边孔光纤的双折射值为2.09×10,,二者 吻合很好.说明这种方法对拍长较长的光纤进行双折射测 量是可行的,且由于系统简单,易于实现,实验中,仅需调整 检偏器的方向,是一种较实用的测量方法. 工作波长A=1550nm时,测得边孔光纤光栅的反射谱 双峰间距为44.6pm.考虑到边孔光纤光栅在制作过程的 工艺影响,可以认为2种测量结果都与理论计算相吻合. 综上所述,实验所测的双折射与理论分析相吻合,也得 到了光栅光谱实验的验证,同时,也证明了偏振态测量方法 的合理性和可行性. 参考文献; [I]WojeikJ,MergoP.Anomalyofsensitivitytopressureofaide-hole HBopticalfiber[J].ProceedingofSPIE,1998,3730:2-7. 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