Ansys Lumerical | 光纤布拉格光栅温度传感器的仿真模拟

基于光纤布拉格光栅的温度传感器的精细分析与电路模拟


引言

光纤布拉格光栅（FBG）因其独特的光学特性，在多种传感器应用中展现出巨大潜力，尤其是温度传感器领域。本文深入讨论了如何设计、构建并模拟基于FBG的温度传感器系统，以执行精确的温度测量。通过详细的物理、数学解析及计算机模拟方法，我们旨在提升传感器的实际应用性能与准确度。

精细光源性质的理论基础

一种FBG设计的前期工作涉及到解求目标波长下光栅的有效折射率（n_eff）及计算所需周期（Λ）。采用光纤纤芯与包层的折射率（n=1.4725,1.4728, R=4.8μm）与（n=1.466, R=62μm），应用光学设计全解算器（FDE求解器）对光栅的配置进行详细的计算和模拟。

实验参数的准确标定与模拟

通过模拟光纤内的流场分布，进而评估FBG的有效折射率平均化过程。在此过程中，特别是在室温下针对不同光纤区域（高、低折射率）进行模拟，进而用以估算最终设计的光栅周期。仿真结果表明，光栅基模模式被限制在光纤的芯区，展现出预期的物理特性。

温度效应的引入与表征

通过扩展布拉格波长的计算方程以纳入温度因效应对折射率的影响，模拟了当温度发生偏移（如1.000摄氏度时波长偏移15.6纳米）时，FBG光栅的信号响应变化。此部分深入分析了其在特定温度范围内的灵敏度参数，揭示了温度与波长偏移的直接关系。




S参数的提取与电路模拟集成

通过在程式中设计的不同温度条件模拟输出的透射/反射特征，结合电路仿真软件（INTERCONNECT中光学时间调制S参数元件），成功定义了温度传感器在不同应用条件下的功能性模型。此过程的具体步骤包括：

调用光网络分析仪（ONA），用于源、检数据的整合。


模拟温度传感器，可通过加载FSO页的温度敏感S参数、集成传感元件后的电路运行。


直流电源作为温度控制系统，确保模拟区间内定位准确。


模拟结果与分析

模拟结果展示了一条反映光栅在25°C至1000°C温度范围内的行为曲线和反射光谱。对应此模拟范围，文献中指出的波长偏移数值（100°C至500°C时，4nm偏移）相比本研究的模拟结果（4.5nm偏移）保持了一致的趋势，这表明在高精度温度传感器领域，FBG的性能预测通过精细的建模、理论计算及电路模拟能实现高度一致性。

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