CN102243113A - 波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器 - Google Patents

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陆颖
任广军
白育堃
李敬辉
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Abstract

本发明涉及温度传感器。为解决以往的光子晶体光纤传感器制作完成后就无法再改变其探测波段的问题，本发明采用的技术方案是，波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器，用作传感的光子晶体光纤具有三角形周期排列的空气孔组成的包层，以及写在纤芯中的长周期光栅，包层中央的空气孔作为纤芯，纤芯半径大于包层中空气孔的半径，纤芯中填充对温度敏感的向列相液晶，长周期光栅的中心波长由受控的长周期光栅的周期确定；向列相液晶的折射率随周围工作环境温度而改变，通过控制液晶的工作环境温度，从而控制通过光栅耦合的传播模式，使温度的变化体现为光谱的偏移，从而实现波长可调谐温度传感特性。本发明主要应用于温度传感器的设计制造。

Description

波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器
技术领域
本发明涉及温度传感器，尤其是光纤光栅温度传感器，具体讲涉及波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器。
背景技术
长周期光纤光栅是指在光纤的纤芯引入折射率的周期性变化，周期与红外波在同一数量级，通常为几百微米。光纤光栅传感器通过中心波长调制来获得传感信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤良好的兼容性等优点，适合作精密、精确测量。因此制作高灵敏度的光纤光栅传感器是现代传感器发展的一个重要方向。
光子晶体光纤是一种新型光纤，相比普通光纤，光子晶体光纤有很多优点：如无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性等。按照纤芯材料的不同，光子晶体光纤可以分为空芯光子晶体光纤和实芯光子晶体光纤。并且通过向光子晶体光纤空气孔中填充不同的液体，可以灵活的改变光子晶体光纤的传输特性。
长周期光纤光栅具有波长依赖的特性，谐振波长对温度的变化敏感，所以可以用于温度测量。但是传统的光纤光栅当温度变化时，光栅的周期和有效折射率都会发生变化，引起耦合波长漂移。而光子晶体光纤由一种材料(另一种为空气孔)构成，热弹应变效应很小，填充液晶后，温度不会引起光栅周期变化，只是影响液晶的折射率，从而改变纤芯和包层有效折射率，使波长漂移，准确反映出温度敏感特性。
以往的光纤传感器制作完成后就无法再改变其传输特性，但是实际应用中需要根据实际情况选择合适的探测波段，存在制作时间和成本较高的缺点。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于，解决以往的光子晶体光纤传感器制作完成后就无法再改变其探测波段的问题，提供一种只需选择合适的光栅周期就可以灵活控制其传感波段即波长可调的光子晶体光纤光栅温度传感器，本发明采用的技术方案是，一种波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器，用作传感的光子晶体光纤具有三角形周期排列的空气孔组成的包层，以及写在纤芯中的长周期光栅，包层中央的空气孔作为纤芯，纤芯半径大于包层中空气孔的半径，纤芯中填充对温度敏感的向列相液晶，长周期光栅的中心波长由受控的长周期光栅的周期确定；向列相液晶的折射率随周围工作环境温度而改变，通过控制液晶的工作环境温度，从而控制通过光栅耦合的传播模式，使温度的变化体现为光谱的偏移，从而实现波长可调谐温度传感特性。
所述所述包层的材料折射率为1.52。
所述纤芯中填充的向列相液晶为向列相液晶E7，液晶的折射率大于包层的折射率，20℃时E7液晶的非常光的折射率和寻常光的折射率分别为1.75和1.525。
包层中空气孔的半径r＝1.2um，空气孔间距D＝6.0um，纤芯的直径d＝6.0um，长周期光栅周期Λ＝188.27um，周期个数为36，，光栅长度L＝6.778mm。
本发明具有以下效果：本发明在光子晶体光纤上写入长周期光栅，使其传感特性体现为谐振波长随光栅周期选取的不同实现可调谐；在空芯光子晶体光纤的纤芯中填充液晶后，导光机制由复杂的带隙效应转变成了全反射。由于液晶具有对温度的敏感性，所以通过控制液晶工作环境的温度就可以改变光纤的模式折射率，而无需改变光纤的几何结构。
附图说明
图1本发明一个实施例的横截面和纵截面示意图。
图2是液晶分子在纤芯中的填充方式。
图3是本发明在特定谐振波长下的有效折射率随温度的变化曲线。
图4是本发明的光栅透射谱随温度漂移的变化曲线。
图5是本发明在特定光栅周期下的投射峰对应波长随温度的变化曲线。
具体实施方式
本发明提供的波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器。用作传感的光子晶体光纤具有三角形周期排列的空气孔组成的包层，以及写在纤芯中的长周期光栅。包层中央的空气孔作为纤芯，纤芯半径大于包层中空气孔的半径，纤芯中填充对温度敏感的向列相液晶，光栅周期可由实际所选波段确定。通过控制光栅的周期，可以改变光栅的中心波长，从而实现波长可调谐；通过控制液晶的工作环境温度，就可以改变液晶的折射率，从而灵活控制通过光栅耦合的传播模式，使温度的变化体现为光谱的偏移，从而实现波长可调谐温度传感特性。
所述包层的材料折射率为1.52。
所述纤芯中填充的向列相液晶为向列相液晶E7，液晶的折射率大于包层的折射率，20℃时E7液晶的非常光的折射率和寻常光的折射率分别为1.75和1.525。
包层中空气孔的半径r＝1.2um，空气孔间距D＝6.0um，纤芯的直径d＝6.0um，光栅周期Λ＝188.27um，周期个数为36，，光栅长度L＝6.778mm。
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明：
如图1所示一种波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器的横截面和纵截面示意图，包层1由二氧化硅材料和具有三角形周期排列的空气孔2组成。包层中央的空气孔作为纤芯3，空气孔2的半径r为1.2um，空气孔间距D＝6.0um，纤芯直径d＝6um。沿光纤轴方向写入长周期光栅，光栅周期Λ＝188.27um，长度L＝6.778mm。纤芯中填充对温度敏感的向列相液晶E7，填充时分子长轴方向沿着光纤轴方向，如图2。
包层所用材料折射率为1.52。而此填充方式下传播的光经历的折射率为液晶的寻常折射率。选择液晶的工作温度为18℃-30℃，在0.8-1.7um的波长范围内并在此温度范围内液晶的寻常折射率范围为1.52-1.57，大于包层折射率，光被限制在纤芯内传播。
用有限元软件模拟出波长在1550um处，温度范围为18℃-30℃的纤芯和包层耦合模有效折射率随温度的变化曲线，如图3，可以看出随温度的升高，纤芯的基模有效折射率从1.518045升高到1.521189，包层模有效折射率基本不变。
根据耦合模理论，用传输矩阵方法，带入基模和包层模有效折射率，得到通过本***后的光谱，如图4。可以看出20℃时透射谱峰值在1550um处，随温度升高，光栅透射谱向长波方向漂移。拟合得到传感器透射谱峰值对应波长随温度的变化曲线，如图5所示。
本设计波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器的灵敏度为0.0488um/℃，并且填充液晶的温度敏感性越高，传感器灵敏度也将更高。

Claims (4)

1.一种波长可调谐的光子晶体光纤光栅温度传感器，其特征是，用作传感的光子晶体光纤具有三角形周期排列的空气孔组成的包层，以及写在纤芯中的长周期光栅，包层中央的空气孔作为纤芯，纤芯半径大于包层中空气孔的半径，纤芯中填充对温度敏感的向列相液晶，长周期光栅的中心波长由受控的长周期光栅的周期确定；向列相液晶的折射率随周围工作环境温度而改变，通过控制液晶的工作环境温度，从而控制通过光栅耦合的传播模式，使温度的变化体现为光谱的偏移，从而实现波长可调谐温度传感特性。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述所述包层的材料折射率为1.52。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征是，所述纤芯中填充的向列相液晶为向列相液晶E7，液晶的折射率大于包层的折射率，20℃时E7液晶的非常光的折射率和寻常光的折射率分别为1.75和1.525。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征是，包层中空气孔的半径r＝1.2um，空气孔间距D＝6.0um，纤芯的直径d＝6.0um，长周期光栅周期Λ＝188.27um，周期个数为36，，光栅长度L＝6.778mm。
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