吳根柱,林春婷,盧俊城,馬倩倩
(浙江師范大學物理與電子信息工程學院,浙江金華321004)
近年來,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、成本低和傳輸信息容量大等優(yōu)點,越來越多地應用于橋梁檢測、國防安全、醫(yī)療健康等領域[1-4]。其中,干涉型光纖傳感器具有靈敏度高,結構簡單的優(yōu)點,干涉型光纖傳感器又可以分為馬赫-曾德爾(Mach-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 光纖傳感器原理簡單,通過特殊結構設計可以測量溫度[9]、應力[10]、曲率[11],pH 值[12]和磁場強度[13]等大部分物理量。目前,利用MZ 干涉型傳感器測量溫度已有不少研究。陳家樂[14]等人基于雙錐結構的單模-多模-單模干涉型溫度傳感結構測量溫度,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-細芯-多模結構來測量溫度,靈敏度為-0.042 4 nm/°C[15]。仲怡美等人利用單模-球形-少模-單模結構進行溫度測量,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 個纖芯,即在PCF 里減少若干個空氣孔[17-18]。因此,SCPCF 的模場面積和通信容量均較大,在非線性光學[19],高功率超連續(xù)譜輸出[20]等方面具有重要研究價值。然而,對七芯光子晶體的傳感耦合特性分析比較少,且都是進行的數(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)其耦合長度隨著傳輸波長的增加而減小,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稱結構的七芯準光子晶體光纖,并利用有限元法研究發(fā)現(xiàn)該光纖具有較短的耦合長度,并且通過減小孔間距、占空比、纖芯折射率和纖芯直徑,耦合長度會相應地變短[22]。Liu 等人利用有限元法將液晶填入SCPCF 中進行溫度測量模擬實驗,研究發(fā)現(xiàn)被液晶滲透纖芯的模式強度、有效模式面積、波導色散和限制損耗與溫度有關[23]。這是首次報道SCPCF 作為溫度傳感器,但研究僅限于模擬分析。
為了深入研究七芯光子晶體光纖的溫度傳感特性,本文將理論與實驗相結合,采用有限元法研究七芯光子晶體對溫度的傳感特性,并制作基于單模-七芯光子晶體-單模結構的MZ 溫度傳感器。該傳感器穩(wěn)定性好、線性度高,具有良好的應用價值,對七芯光子晶體的傳感特性分析上提供了重要參考價值。
本文制作的MZ 溫度傳感器的結構如圖1(a)所示,兩端單模級聯(lián)一個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程中形成的塌陷區(qū)域作為激勵區(qū),在第一處塌陷區(qū)域時,一部分光從纖芯進入包層,光在光子晶體的纖芯與包層處共同傳輸;當進入第二處塌陷區(qū)域時,兩種模式的光耦合進入單模光纖,從而形成MZ 干涉。其中所用的七芯光子晶體光纖為長盈通計量公司生產(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構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)生干涉后光的強度為:
其中:I是干涉后的總光強度,Iclad是七芯光子晶體中包層的光強度,Icore是七芯光子晶體中纖芯的光強度,△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,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度。
當滿足相位條件時,即:
此時的波長為波谷波長:
當外界溫度變化時,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,從而導致干涉波長改變,通過譜線的偏移可以反測出溫度的變化。
利用有限元法對七芯光子晶體測溫進行實驗計算,將固體力學中熱膨脹與波動光學模塊結合進行模擬計算。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ρair=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),此時七芯光子晶體的七個超模的相位相同。由于倏逝場的強耦合作用,同相位超模變成了主導超模,且在遠場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,測得七芯光子晶體基模與高階模有效折射率之間的關系,如圖3 所示,再通過式(4)計算出波谷波長與溫度的比值,即理論靈敏度,為-47.14 pm/°C。仿真實驗表明,七芯光子晶體對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系。通過式(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,有著極高的設計靈活性、較少的熱致光束畸變和較大的有效模式面積,開發(fā)出適用于各種應用的新型光學器件的潛力更大[24]。而且由于其模場面積大,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 的長度對傳感器的靈敏度也有著一定的影響,若長度過長會增大損耗,導致靈敏度下降;長度太短,單模與七芯光子晶體的耦合效果不佳,導致靈敏度降低。仿真發(fā)現(xiàn),七芯PCF 長度為2 cm 時傳感器的靈敏度最好。
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(FSM-100P)對單模-七芯光子晶體-單模依次進行清潔放電熔接,設置放電強度為標準[235]bit,放電時間為3 000 ms,清潔放電功率為[235]bit,清潔放電時間為150 ms。實驗使用的SCPCF 長2.0 cm。 將SMF-SCPCF-SMF 結構連接到寬帶光源(Amplified Spontaneous Emission,ASE),其中心波長為1 550 nm 和光譜分析儀(AQ6375B),打開ASE 源與光譜儀,并將光譜儀的掃描波長設置為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
將傳感結構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,構成溫度測量裝置,如圖5 所示。溫度從80 °C 降溫到30 °C,同時觀察譜線的漂移,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 波谷波長附近進行研究,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。讀取對應溫度的波谷波長,進行數(shù)據(jù)處理,圖8 為數(shù)據(jù)擬合圖,測得溫度靈敏度為-48.86 pm/°C,線性擬合度高達95.15%。
圖6 不同溫度的干涉譜線Fig. 6 Interference spectra of different temperatures
與理論計算得出的溫度靈敏度相比,實驗測出的靈敏度偏大一點,考慮到實驗時外界環(huán)境溫度的變化導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,最終實驗測得的溫度靈敏度的絕對值偏大,為1.72 pm/°C。
圖7 波谷波長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 波長與溫度的關系圖Fig. 8 Relationship between wavelength and temperature
本文將理論與實驗相結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-單模結構實行溫度檢測,測得溫度靈敏度為-48.86 pm/°C,線性擬合度高達95%。實驗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,在溫度測量方面具有潛在的應用價值。