李書婷

（商洛學院電子信息與電氣工程學院,商洛,726000）

新型結(jié)構(gòu)光纖傳感器及其應(yīng)用探究

李書婷

（商洛學院電子信息與電氣工程學院,商洛,726000）

本章主要介紹了光子晶體光纖中的非線性現(xiàn)象以及基本原理。并提出了一種基于光子晶體光纖中四波混頻現(xiàn)象的拉力傳感器,從理論模擬和實驗方面驗證了該非線性傳感器的特性。

光纖傳感器；應(yīng)用；光子晶體光纖

1 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感就是利用外界壞境參數(shù)對光纖中光波參量進行調(diào)制,然后再對調(diào)制后的光信號進行解調(diào)獲得外界變量的一種技術(shù)。假設(shè)光波在光纖中傳播,其電場表達式可以表示為:

當外界因素影響上式中的光強,頻率,偏振或者相位時,就能改變光波的行為,這就是光纖傳感的基本原理。

光纖傳感器根據(jù)原理可分為功能型和非功能型兩種。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性或者后期制作的功能型結(jié)構(gòu)作為敏感元件;而非功能型光纖傳感器是利用其它功能器件來感知被測量,光纖本身只起到傳輸光信號的作用。本論文討論的傳感器屬于功能型光纖傳感器。

2 新型光纖傳感器發(fā)展

2.1 光纖光柵

光纖光柵是光纖中具有折射率周期性調(diào)制的光無源器件,它對在光纖中傳輸?shù)奶囟úㄩL的光進行正向或反向精合,從而可以作為一個濾波器或反射鏡。

1993年,K.O.Hill等人又提出了相位掩膜寫入技術(shù),通過紫外光垂直照射相位掩膜形成的±1級衍射條紋對光纖進行側(cè)面曝光,從而寫入光柵這種技術(shù)大大降低了對寫入激光的要求,同時受環(huán)境因素影響小,制作重復(fù)性高,從而被廣泛的使用。1996年,Vengsarkar等人首次利用相位掩膜法制作了周期為幾百微米的能夠?qū)崿F(xiàn)同向模式耦合的長周期光柵,該光珊可以把纖芯基模耦合到包層模中去,并形成相應(yīng)的損耗,是理想的帶阻傳輸型濾波器件。經(jīng)過三十多年的發(fā)展,光纖光柵在技術(shù)上已趨于成熟,并巳經(jīng)逐漸成為光纖傳感領(lǐng)域不可或缺的重要器件。

2.2 干涉型傳感器

自1881年,美國物理學家Michelson發(fā)明Michelson干涉儀以來,激光干涉?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)得到了很大的發(fā)展。隨后又出現(xiàn)了Mach-Zehnder干涉儀,Sagnac干涉儀,Fabry-Peort干涉儀等。這些干涉儀傳感器在工程應(yīng)用,環(huán)境監(jiān)測,生物醫(yī)學方面得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 光子晶體光纖傳感器

1996年,Russell等人第一次報道了光子晶體光纖(PCF),PCFs是一種包層由周期排列的空氣孔組成的新型光纖,其設(shè)計靈活的特點,使得PCFs—直是光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點之一。

1)光纖光柵傳感器

1999年,Eggleton等人利用光纖的光敏特性,成功的在摻鍺光子晶體光纖芯層寫入了均句周期的光纖光柵布拉格光柵和長周期光柵。2003年,Groothoff等人利用相位掩膜法,在沒有摻雜的純石英光子晶體光纖中制作出布拉格光柵。光子晶體光纖光柵傳感器可以用來測量折射率,氣體濃度,DNA,拉力等。

2)干涉型傳感器

干涉型光纖傳感器基于傳統(tǒng)的光學干涉原理,常用的有Mach-Zehner干涉儀、Sagnac干涉儀、Fabry-Perot干涉儀等結(jié)構(gòu)。利用光纖塌陷現(xiàn)象,可以制作各種各種Mach-Zehner干涉儀。新型的保偏光纖可以用來形成Sagnac光纖干涉儀用于彎曲,拉力,壓強等測量。Honow-core光子晶體光纖可以用來形成Fabry-Perot干涉儀。

3 新型傳感器的應(yīng)用

3.1 Sagnac干涉儀傳感器的原理

本節(jié)先利用圖解法對Sagnac干涉儀的操作原理進行解釋,并利用瓊斯矩陣進一步進行說明。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,3-dB輔合器以及光纖位于XZ平面上,光從端口1入射。假設(shè)入射光與Y軸的夾角為θ,入射光被3-dB精合器分成兩束,形成兩個沿相反方向傳輸?shù)墓?如圖1(b)和(C)實線所示,同時由于3-dB賴合器的原因,(c)的相位延遲п/2。我們知道如果保偏光纖引起的相位差為2п的整數(shù)倍時,其相當于一個全波片,而當其引起的相位差為п的基數(shù)倍時,保偏光纖相當于一個半波片。首先我們考慮全波片的情況。當兩束到迖Sagnac環(huán)的中間位置時,其與Y軸的夾角分別為θ和-θ。如圖1(d)和(e)實線所示。當兩束光繼續(xù)傳輸,并由3-dB補合器后,兩束光與Y軸的夾角為-θ,但是由于這兩束光之間的相位相差п,所以從端口1輸出的光強最小(即干涉相消),而在端口2輸出最大光強(干涉相長)。接下來,我們假設(shè)保偏光纖引起的相位差п的基數(shù)倍時,即保偏光纖相當于一個半波片。我們知道當一束光入射到半波片上,如果其偏振方向與半波片的主軸的夾角為Φ時,當通過半波片后,其偏正方向?qū)⒗@主軸旋轉(zhuǎn)2Φ。當光通過Sagnac環(huán)中的保偏光纖后,其偏振方向如圖4.19(C)和(f)的虛線所示。最后由3-dB耦合器接收,這時,兩束光的偏振方向與X軸的夾角都為θ,但是方向相反,但是由于3-dB耦合器造成的兩束光之間固有的п相位延遲,從而使得從端口1輸出的光強最大(即干涉相長),而從端口2輸出的光強最小(即干涉相消)。從上述圖解過程中,我們可以的出結(jié)論,Sagnac環(huán)輸出的光強大小與輸入偏振態(tài)無關(guān),由于保偏光纖所引入的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)與波長相關(guān),所以輸出光信號的強度隨波長周期性變化。

3.2 級聯(lián)Sagnac干涉儀拉力傳感器

上一節(jié),我們介紹了一種基于全固態(tài)保偏混合模式光子晶體光纖的雙折射干涉儀拉力傳感器,然而由于該光纖屬于應(yīng)力雙折射光纖,雙折射系數(shù)對溫度非常敏感,在實際的拉力監(jiān)測過程中,需要排除溫度的影響,因此,這一節(jié),我們將介紹一種基于全固態(tài)保偏混合模式光子晶體光纖的級聯(lián)Sagnac拉力傳感器,該傳感器具有超高的拉力靈敏度,同時溫度串擾大為降低。

為了研究級聯(lián)Sagnac干涉儀的傳感特性,我們將參考Sagnac干涉儀固定在光學平臺上,同時保持光子晶體光纖拉直狀態(tài),以避免彎曲損耗。同時將傳感Sagnac干涉儀中光子晶體光纖固定在調(diào)節(jié)架上,其中調(diào)節(jié)架之間光纖的長度為30cm。其中一個調(diào)節(jié)架固定,另外一個調(diào)節(jié)架可以縱向移動,從而向光子晶體光纖施加拉力,調(diào)節(jié)架的步進誤差為0.01mm。軸向拉力(ε=ΔL/L)可以定義為光纖拉升的長度(ΔL)與兩個調(diào)節(jié)架間光纖長度(L)的比值。由于施加的拉力將會引起雙折射系數(shù)B和光纖長度L的變化,從而引起相位的變化:

圖1 光在Sagnac環(huán)里的傳輸

其中ΔB是光子晶體光纖的雙折射系數(shù)變化,所以光譜的漂動為:

代入從而可得到：

方程4右側(cè)第一項代表了由于光纖長度變化所導(dǎo)致的波長漂動,對傳感信號1,其靈敏度為1.55pm/p。由光纖長度變化所導(dǎo)致的拉力靈敏度與基于幾何雙折射光纖的拉力傳感器相近。所以光纖長度變化將在基于幾何雙折射光纖的拉力傳感器中起決定性作用。然而光纖長度變化所導(dǎo)致的拉力靈敏度遠遠小于基于應(yīng)力雙折射光纖的拉力傳感器。因此方程4右側(cè)第二項將決定基于應(yīng)力雙折射光纖的拉力傳感器的特性。

利用線性擬合的方法,我們可以的到信號Δλ1和Δλ2的拉力靈敏度分別為25.6pm/με和24.2pm/με。我們提出的基于全固態(tài)保偏混合模式光子晶體光纖的級聯(lián)Sagnac干涉儀拉力傳感器具有超高拉力靈敏度,其靈敏度高于基于光纖光柵、幾何雙折射光子晶體光纖的拉力傳感器。

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The new optical fiber sensor and its application to explore

Li ShuTing
(Shool of Electronic Information and Electrical Engineering ,Shangluo University,Shangluo,726000，China)

This chapter introduces the photonic crystal fiber nonlinear phenomena and basic principles.And made a tension sensor based on photonic crystal fiber four-wave mixing phenomena,from theoretical modeling and experimental validation of the characteristics of the non-linear sensor.

fiber optic sensor;application;photonic crystal fiber

李書婷（1978-），女，陜西商洛人，講師，碩士，主要從事物理與電子信息方面的教學及實驗研究。

陜西省教育廳自然科學基金項目(批準號: 2010JK530); 商洛學院科研基金資助項目(批準號: 09sky012)