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        七芯光子晶體光纖溫度傳感器

        2021-07-02 09:28:58吳根柱林春婷盧俊城馬倩倩
        光學(xué)精密工程 2021年5期
        關(guān)鍵詞:包層纖芯光子

        吳根柱,林春婷,盧俊城,馬倩倩

        (浙江師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,浙江金華321004)

        1 引 言

        近年來(lái),光纖傳感器因其自身體積小、傳感性能優(yōu)良、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低和傳輸信息容量大等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多地應(yīng)用于橋梁檢測(cè)、國(guó)防安全、醫(yī)療健康等領(lǐng)域[1-4]。其中,干涉型光纖傳感器具有靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),干涉型光纖傳感器又可以分為馬赫-曾德?tīng)枺∕ach-Zehnder,MZ)傳感器[5]、Michelson 傳感器[6]、Sagnac 環(huán)傳感器[7]和Fabry-Perot 傳感器[8]。MZ 光纖傳感器原理簡(jiǎn)單,通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以測(cè)量溫度[9]、應(yīng)力[10]、曲率[11],pH 值[12]和磁場(chǎng)強(qiáng)度[13]等大部分物理量。目前,利用MZ 干涉型傳感器測(cè)量溫度已有不少研究。陳家樂(lè)[14]等人基于雙錐結(jié)構(gòu)的單模-多模-單模干涉型溫度傳感結(jié)構(gòu)測(cè)量溫度,利用錐區(qū)增加靈敏度,靈敏度為0.051 nm/℃。辛鵬程等人基于一種多模-細(xì)芯-多模結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量溫度,靈敏度為-0.042 4 nm/°C[15]。仲怡美等人利用單模-球形-少模-單模結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度測(cè)量,溫度靈敏度為0.030 nm/℃[16]。

        七芯光子晶體光纖(Seven-core Photonic Crystal Fiber,SCPCF)是在一根光子晶體里引入缺陷形成7 個(gè)纖芯,即在PCF 里減少若干個(gè)空氣孔[17-18]。因此,SCPCF 的模場(chǎng)面積和通信容量均較大,在非線性光學(xué)[19],高功率超連續(xù)譜輸出[20]等方面具有重要研究?jī)r(jià)值。然而,對(duì)七芯光子晶體的傳感耦合特性分析比較少,且都是進(jìn)行的數(shù)值仿真。耿鵬程等人利用有限差分光束傳播法(Finite Difference Beam Propagation Method,

        FD-BPM)分析了七芯PCF 的耦合特性,發(fā)現(xiàn)其耦合長(zhǎng)度隨著傳輸波長(zhǎng)的增加而減小,隨著纖芯與包層材料折射率之差和纖芯之間距離的增大而增大[21]。賈麗笑等人提出了一種六重對(duì)稱結(jié)構(gòu)的七芯準(zhǔn)光子晶體光纖,并利用有限元法研究發(fā)現(xiàn)該光纖具有較短的耦合長(zhǎng)度,并且通過(guò)減小孔間距、占空比、纖芯折射率和纖芯直徑,耦合長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)地變短[22]。Liu 等人利用有限元法將液晶填入SCPCF 中進(jìn)行溫度測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)被液晶滲透纖芯的模式強(qiáng)度、有效模式面積、波導(dǎo)色散和限制損耗與溫度有關(guān)[23]。這是首次報(bào)道SCPCF 作為溫度傳感器,但研究?jī)H限于模擬分析。

        為了深入研究七芯光子晶體光纖的溫度傳感特性,本文將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,采用有限元法研究七芯光子晶體對(duì)溫度的傳感特性,并制作基于單模-七芯光子晶體-單模結(jié)構(gòu)的MZ 溫度傳感器。該傳感器穩(wěn)定性好、線性度高,具有良好的應(yīng)用價(jià)值,對(duì)七芯光子晶體的傳感特性分析上提供了重要參考價(jià)值。

        2 傳感結(jié)構(gòu)及原理

        本文制作的MZ 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,兩端單模級(jí)聯(lián)一個(gè)光子帶隙型七芯光子晶體光纖而成。利用單模與光子晶體熔接過(guò)程中形成的塌陷區(qū)域作為激勵(lì)區(qū),在第一處塌陷區(qū)域時(shí),一部分光從纖芯進(jìn)入包層,光在光子晶體的纖芯與包層處共同傳輸;當(dāng)進(jìn)入第二處塌陷區(qū)域時(shí),兩種模式的光耦合進(jìn)入單模光纖,從而形成MZ 干涉。其中所用的七芯光子晶體光纖為長(zhǎng)盈通計(jì)量公司生產(chǎn),空氣孔為六邊形排布,黑色部分代表空氣孔,纖芯直徑R=4.3 μm,孔徑r=3.6 μm,孔間距d=4.3 μm,包層直徑為125 μm。

        圖1 七芯光子晶體傳感結(jié)構(gòu)及七芯光子晶體端面Fig. 1 Schematic diagram of seven-core photonic crystal sensor and seven-core photonic crystal

        發(fā)生干涉后光的強(qiáng)度為:

        其中:I是干涉后的總光強(qiáng)度,Iclad是七芯光子晶體中包層的光強(qiáng)度,Icore是七芯光子晶體中纖芯的光強(qiáng)度,△φ是七芯光子晶體包層與纖芯模式的相位差,即:

        其中:λ0為光源的中心波長(zhǎng),為SCPCF 中的纖芯有效折射率為SCPCF 中的包層有效折射率,L為七芯光子晶體的長(zhǎng)度。

        當(dāng)滿足相位條件時(shí),即:

        此時(shí)的波長(zhǎng)為波谷波長(zhǎng):

        當(dāng)外界溫度變化時(shí),七芯光子晶體光纖的纖芯與包層的有效折射率差發(fā)生改變,從而導(dǎo)致干涉波長(zhǎng)改變,通過(guò)譜線的偏移可以反測(cè)出溫度的變化。

        3 數(shù)值仿真及分析

        利用有限元法對(duì)七芯光子晶體測(cè)溫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算,將固體力學(xué)中熱膨脹與波動(dòng)光學(xué)模塊結(jié)合進(jìn)行模擬計(jì)算。其中,二氧化硅的熱膨脹系數(shù)αSiO2=3.5×10-6/K,楊氏模量ESiO2=78 GPa,泊松比ν=0.17,密度ρSiO2=2 203 kg/m3,空氣密度ρa(bǔ)ir=1.29 kg/m3,空氣的楊氏模量、熱膨脹系數(shù)和泊松比均為零。圖2 為七芯光子晶體光纖的同位相超模(纖芯基模),此時(shí)七芯光子晶體的七個(gè)超模的相位相同。由于倏逝場(chǎng)的強(qiáng)耦合作用,同相位超模變成了主導(dǎo)超模,且在遠(yuǎn)場(chǎng)具有很好的高斯分布,從圖2 可以看出各纖芯能量均勻分布。改變溫度,測(cè)得七芯光子晶體基模與高階模有效折射率之間的關(guān)系,如圖3 所示,再通過(guò)式(4)計(jì)算出波谷波長(zhǎng)與溫度的比值,即理論靈敏度,為-47.14 pm/°C。仿真實(shí)驗(yàn)表明,七芯光子晶體對(duì)溫度具有良好的傳感特性,且隨著溫度的變化,七芯光子晶體透射譜中波谷波長(zhǎng)呈線性漂移。

        圖2 七芯光子晶體的同位相超模(纖芯基模)Fig. 2 In-phase supermode of seven-core photonic crystal(fiber core fundamental mode)

        圖3 七芯光子晶體基模與高階模折射率差與溫度的關(guān)系Fig. 3 Relationship of refractive index difference between fundamental mode and higher-order mode of seven-core photonic crystal with temperature

        圖4 為纖芯直徑R=4.3 μm,孔徑r=3.6 μm,孔間距d=4.3 μm,包層直徑為125 μm的單芯光子晶體基模與高階模折射率差與溫度的關(guān)系。通過(guò)式(4)算出單芯光子晶體在溫度傳感上的靈敏度為-51.99 pm/°C,與SCPCF 的靈敏度接近。然而,SCPCF 的纖芯多,有著極高的設(shè)計(jì)靈活性、較少的熱致光束畸變和較大的有效模式面積,開(kāi)發(fā)出適用于各種應(yīng)用的新型光學(xué)器件的潛力更大[24]。而且由于其模場(chǎng)面積大,損耗低,輸出光波質(zhì)量高[25],其溫度傳感性能優(yōu)于單芯PCF。

        圖4 單芯光子晶體基模與高階模折射率差與溫度的關(guān)系Fig. 4 Relationship of refractive index difference between fundamental mode and higher-order mode of single-core photonic crystal with temperature

        七芯PCF 的長(zhǎng)度對(duì)傳感器的靈敏度也有著一定的影響,若長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增大損耗,導(dǎo)致靈敏度下降;長(zhǎng)度太短,單模與七芯光子晶體的耦合效果不佳,導(dǎo)致靈敏度降低。仿真發(fā)現(xiàn),七芯PCF 長(zhǎng)度為2 cm 時(shí)傳感器的靈敏度最好。

        4 實(shí)驗(yàn)與討論

        首先,將單模與七芯光子晶體的涂覆層剝離,然后使用切割刀將兩種光纖切平整,切割角控制在2°之內(nèi),使用熔接機(jī)(FSM-100P)對(duì)單模-七芯光子晶體-單模依次進(jìn)行清潔放電熔接,設(shè)置放電強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)[235]bit,放電時(shí)間為3 000 ms,清潔放電功率為[235]bit,清潔放電時(shí)間為150 ms。實(shí)驗(yàn)使用的SCPCF 長(zhǎng)2.0 cm。 將SMF-SCPCF-SMF 結(jié)構(gòu)連接到寬帶光源(Amplified Spontaneous Emission,ASE),其中心波長(zhǎng)為1 550 nm 和光譜分析儀(AQ6375B),打開(kāi)ASE 源與光譜儀,并將光譜儀的掃描波長(zhǎng)設(shè)置為1 520~1 610 nm。

        圖5 七芯光子晶體光纖溫度傳感裝置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of seven-core photonic crystal fiber temperature sensing device

        將傳感結(jié)構(gòu)固定在玻璃板上放入盛有熱水的燒杯中,并連接寬帶光源與光譜儀,構(gòu)成溫度測(cè)量裝置,如圖5 所示。溫度從80 °C 降溫到30 °C,同時(shí)觀察譜線的漂移,每隔10° C 記錄一組數(shù)據(jù),一共記錄了6 組數(shù)據(jù)。圖6 是在1 520~1 610 nm 內(nèi)溫度的干涉譜線。選1 597 nm 波谷波長(zhǎng)附近進(jìn)行研究,將該處譜線放大,如圖7 所示,從圖中可以看出,隨著溫度的逐漸升高,干涉譜線逐漸往左漂移。讀取對(duì)應(yīng)溫度的波谷波長(zhǎng),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,圖8 為數(shù)據(jù)擬合圖,測(cè)得溫度靈敏度為-48.86 pm/°C,線性擬合度高達(dá)95.15%。

        圖6 不同溫度的干涉譜線Fig. 6 Interference spectra of different temperatures

        與理論計(jì)算得出的溫度靈敏度相比,實(shí)驗(yàn)測(cè)出的靈敏度偏大一點(diǎn),考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)外界環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致七芯光子晶體光纖出現(xiàn)熱脹冷縮,光纖具有微小的形變,最終實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度靈敏度的絕對(duì)值偏大,為1.72 pm/°C。

        圖7 波谷波長(zhǎng)1 597 nm 附近不同溫度干涉譜線的局部放大圖Fig. 7 Partially enlarged view of interference lines at different temperatures around 1 597 nm

        圖8 波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between wavelength and temperature

        5 結(jié) 論

        本文將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究了七芯光子晶體溫度傳感器。首先利用有限元法研究七芯光子晶體的溫度傳感特性,并計(jì)算出溫度傳感下的靈敏度為-47.14 pm/°C。再基于單模-七芯光子晶體-單模結(jié)構(gòu)實(shí)行溫度檢測(cè),測(cè)得溫度靈敏度為-48.86 pm/°C,線性擬合度高達(dá)95%。實(shí)驗(yàn)與理論研究表明七芯光子晶體具有良好的溫度傳感特性。七芯光子晶體傳感器具有體積小巧、線性度好等優(yōu)點(diǎn),在溫度測(cè)量方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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