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Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬

發(fā)布日期:
2023-06-27

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01說明


該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵(FBG)的溫度傳感器,因為光纖折射率會隨溫度而變化,導致其布拉格波長發(fā)生偏移,所以可以被用作溫度的測量。


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬



02?綜述


在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵(FBG)由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知,沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長(λ_Bragg)下引起反向傳播模式的耦合,由以下方程給出:


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率,Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續(xù)處,都會發(fā)生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時,光柵在布拉格波長周圍產(chǎn)生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。


上述方程可以擴展為包括溫度(T)對折射率的影響,從而包括布拉格波長:


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


其中,α和η分別代表光柵材料的熱膨脹系數(shù)Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬和熱光系數(shù)Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬。溫度的變化(ΔT)導致纖芯和包層的折射率變化,變化量由η值決定(通常為Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬),***終導致布拉格波長偏移。光纖的膨脹也會導致布拉格波長的偏移。然而,我們通常會忽略后一種效應,因為Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬(通常為Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬)是小于η的一個數(shù)量級。我們采用了η的二階依賴性,因為它已經(jīng)被證明比線性模型更準確,尤其是在400℃以上的溫度下。

Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬



03?運行和結果


步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關有效折射率

我們首先使用FDE求解器獲得目標波長下光柵的有效折射率,并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區(qū)域和低折射率區(qū)域的,并將其的平均值作為設計的起點。


此案例中光纖由n=1.4725/1.4728(L/H)和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器,并在室溫下為光柵中的兩個不同位置(高折射率區(qū)域和低折射率區(qū)域)運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率,并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣,該模式被很好地限制在光纖的核心區(qū)域。


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


步驟2:EME-計算光柵的溫度相關透射/反射響應

我們分析了光柵在多個周期內(nèi)的透射/反射值,模擬區(qū)域中只包括光柵的單個周期,但通過使用“周期性”和“波長掃描”特征可以獲得長光柵的寬帶響應。然后,我們掃描溫度,并將傳輸/反射響應導出為S參數(shù),S參數(shù)可用于隨后的電路模擬。

Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬



根據(jù)上一步計算的周期將自動用于“模型”參數(shù)。使用腳本運行EME求解器并計算布拉格光柵的S參數(shù)。我們在模擬區(qū)域中有兩個單元格,每個單元格代表高折射率區(qū)域和低折射率區(qū)域。腳本計算給定溫度范圍內(nèi)的所有S參數(shù)Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬。但在這里,我們將主要關注光柵的反射Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬,如下所示。觀察到峰值反射(對應于布拉格波長)約為90%,并且隨著溫度從25℃升高到1.000℃,呈現(xiàn)紅移。

Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


布拉格波長與溫度的關系如圖顯示,相對于室溫下的值,其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


還可以得到光柵在給定溫度范圍內(nèi)的靈敏度。靈敏度定義如下:


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


考慮到參考文獻中缺乏有關材料的信息,模擬的靈敏度(9.4 pm/℃)與公布的結果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數(shù)的差異,而參考文獻中并未完全提供這些參數(shù)。


該腳本還提取與溫度相關的S參數(shù),并將其保存為S參數(shù)文件格式(fbg_S_param_T.dat),以便在下一步進行interconnect電路模擬。


步驟3:INTERCONNECT-光子電路模擬

使用光學時間調(diào)制S參數(shù)元件將與溫度相關的S參數(shù)導入INTERCONNECT,用于模擬FBG溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當需要附加PIC元件對FBG的整體性能的影響時,該電路模型仿真是有用的。


FBG溫度的電路模擬需要三個要素:

  • 光網(wǎng)絡分析儀(ONA),既可作為光源又可作為檢測器。

  • 代表FBG溫度傳感器的光學時變S參數(shù)元件。

  • 用作溫度控制器并連接到FBG溫度傳感器元件的直流電源。


下圖為電路仿真的原理圖設計。按下運行按鈕,模擬將計算溫度傳感器在25°C室溫下的反射光譜。右圖顯示了反射率光譜,右鍵單擊ONA,然后顯示結果即可獲得反射率光譜。


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


接下來,在優(yōu)化和掃描選項卡中運行“Gain_vs_Temperature”掃描,以計算一系列溫度的反射光譜。使用掃描參數(shù)生成可編輯溫度系列的反射光譜。


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬

下圖顯示了25℃至1000℃溫度范圍內(nèi)的光譜。根據(jù)文獻顯示,在100℃至500℃的溫度范圍內(nèi),布拉格波長偏移為4nm。我們的模擬結果顯示,在相同的溫度范圍內(nèi),4.5nm的數(shù)值相似。


Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬


參考文獻:


[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.

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[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

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