采用光纤布喇格光栅对的窄带光谱测试

　　1　引　言

　　光纤布喇格光栅(FBG)具有窄带滤波器的作用,利用其光学特性既可用于传感检测应力、温度、气压以及磁场,也可应用于光通信系统的波分复用、色散补偿以及光通信光源等器件中。光纤光栅应用范围广泛,我们利用其调谐特性提出一个实现对光纤光栅中心反射波长(即布喇格波长)以及波长的漂移进行检测的方案,其组成如图1所示。

　　在系统中应用光纤光栅调谐装置实现窄光谱范围内被测光栅中心反射波长的检测。由可调光纤光栅FBGa1和FBGa2组成光纤光栅对,二者具有相同的中心反射波长值λB,可调光栅中心反射波长的调谐关系由光谱仪测定。被测光纤光栅为FBGb,其中心反射波长及漂移须覆盖于调谐光栅的调谐范围之内。

　　2　光纤光栅调谐的实现

　　由光纤光栅的布喇格方程可知,光纤光栅的布喇格反射波长(λB=2neffΛ)决定于单模光纤的模式折射率neff和光栅周期Λ,当光纤光栅受到一个纵向(沿光纤方向)的应变作用或周围的温度发生改变时,就会引起neff和Λ的变化,从而使光纤光栅的布喇格波长发生位移。

　　采用矩形悬臂梁结构,如图2所示,悬臂梁的一端固定,另一端为自由端,由精密位移控制器控制自由端的位移。将光纤光栅FBGa1和FBGa2分别粘于悬臂梁上离固定端距离a处上下两面。当自由端由位移控制器控制产生一定位移时,由于梁一侧的材料被拉伸,另一侧的材料被压缩,所以其上面粘贴的光纤光栅也会受到同样性质的应力,光栅的中心反射波长随应力的变化而产生偏移。光纤光栅布喇格波长移动ΔλB与悬臂梁自由端位移d的关系为:

K为系数,h为梁厚度,L为梁长度。

　　FBGa1由于拉伸应变其中心反射波长向长波长方向漂移,FBGa2由于压缩应变其中心反射波长向短波长方向漂移,从而实现较大范围的光纤光栅调谐。

　　3　光纤光栅布喇格波长的检测

　　宽带光源发出的光经过隔离器后进入光纤耦合器,隔离器的作用是消除光纤光栅反射光对光源的影响。宽带光源经调谐光纤光栅反射后形成窄带光谱,由耦合器通过光栅FBGb后到达光电检测器。调节位移给进器,进行反射波长扫描,λa1朝长波长方向扫描,λa2朝短波长方向扫描。光电检测器接收到的光信号是波长可调的窄带光通过被测光栅FBGb后的透射光。被测光栅FBGb的布喇格波长及其漂移须在调谐光栅的调谐范围之内。

　　图3中,f(λ)为FBGa1和FBGa2的反射谱线,g(λ)为FBGb的透射谱线。

　　调谐可调光栅,当调谐光栅和被测光栅反射峰不相重合时,FBGa1和FBGa2的反射光经过FBGb不被反射,光电检测器接收到FBGa1和FBGa2两者的反射光。继续调谐FBGa1和FBGa2至其中一个光栅的反射峰与被测光栅FBGb反射峰相重合时,则这一反射光经过FBGb被反射掉,此时光电检测器接收到的光信号为另一反射光的强度,此时光信号最弱。光纤光栅线性调谐过程中光电检测器接收到的光强变化曲线为输出曲线h(λ),图3中的h(λ)谱线负脉冲宽度比g(λ)宽,并与g(λ)峰值波长位置一致,故可认为h(λ)的极小值位置即为被测光栅布喇格波长位置。