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Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟

发布日期:
2023-06-27

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01说明


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。


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟



02 综述


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:


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


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。


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:


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


其中,α和η分别代表光栅材料的热膨胀系数Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟和热光系数Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟。温度的变化(ΔT)导致纤芯和包层的折射率变化,变化量由η值决定(通常为Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟),***终导致布拉格波长偏移。光纤的膨胀也会导致布拉格波长的偏移。然而,我们通常会忽略后一种效应,因为Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟(通常为Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟)是小于η的一个数量级。我们采用了η的二阶依赖性,因为它已经被证明比线性模型更准确,尤其是在400℃以上的温度下。

Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟



03 运行和结果


步骤1:FDE-计算光栅所需的周期和温度相关有效折射率

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,并将其的平均值作为设计的起点。


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。


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


步骤2:EME-计算光栅的温度相关透射/反射响应

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。

Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟



根据上一步计算的周期将自动用于“模型”参数。使用脚本运行EME求解器并计算布拉格光栅的S参数。我们在模拟区域中有两个单元格,每个单元格代表高折射率区域和低折射率区域。脚本计算给定温度范围内的所有S参数Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟。但在这里,我们将主要关注光栅的反射Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟,如下所示。观察到峰值反射(对应于布拉格波长)约为90%,并且随着温度从25℃升高到1.000℃,呈现红移。

Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


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。


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


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:


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


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。


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。


步骤3:INTERCONNECT-光子电路模拟

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。


FBG温度的电路模拟需要三个要素:

  • 光网络分析仪(ONA),既可作为光源又可作为检测器。

  • 代表FBG温度传感器的光学时变S参数元件。

  • 用作温度控制器并连接到FBG温度传感器元件的直流电源。


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。


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


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。


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟

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。


Lumerical光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟


参考文献:


[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

[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

.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.

[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.

[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

[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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