CN109798924A - 选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，包括由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤、外界传感参量加载装置、四端口光方向耦合器以及偏振控制器；功能材料选择性填充的双折射微结构光纤位于外界传感参量加载装置内，所述的传感器的宽带光源的光谱覆盖0.6μm～1.7μm范围，在61με至789με的变化范围内为反应灵敏度为25pm/με至12pm/με。由于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的群双折射在特定波长处接近于零，使得该波长附近的干涉光谱特性对外界物理量变化极其敏感，从而具有超高灵敏度的传感特性。
Description
技术领域
本发明涉及微结构传感器技术领域，特别是涉及一种选择性填充双折射微 结构光纤式干涉型高灵敏度传感器。
背景技术
微结构光纤(Microstructure Optical Fiber)，又称光子晶体光纤 (PhotonicCrystal fiber)或多孔光纤(Holey fiber)，是近年来迅速发展起来 的一种具有较高科研价值和广阔市场应用前景的新型光纤，其沿光纤轴向按照 一定规律分布着延伸的空气孔。微结构光纤根据导光机理的不同可分为两种： 折射率引导型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与传统光纤的导光机 制类似，纤芯折射率高于周围由空气孔组成的包层有效折射率，光被约束在纤 芯中传输；而光子带隙型微结构光纤的包层具有周期性的折射率分布，通过光 子带隙效应将光限制在低折射率的纤芯缺陷中传导。
微结构光纤具有特殊的传导机制和灵活设计的结构，表现出许多普通光纤 所不具备的的优异特性，如无截止单模特性、高双折射特性、奇特的多芯和多 模耦合特性等。其中，高双折射微结构光纤构建的Sagnac干涉仪，由于制作简 单，灵敏度高，噪声低等优点已经被广泛用于干涉型的传感器中，可以实现对 温度、应变、压力、扭曲等外界参量的测量。由于造成微结构光纤具有双折射 效应的因素不同，会导致光纤具有不同的双折射特性，从而使得干涉仪的传感 特性呈现多样的特性。
但是在公知的微结构光纤Sagnac干涉仪中，所实现的最高调谐速度或传感 灵敏度均低于3pm/με，且其传导机制为光子带隙型和折射率引导型中的一 种。目前尚无基于功能材料选择性填充的、具有混合传导机制的、微结构光纤 干涉型的超高灵敏度传感器(应变灵敏度>3pm/με)的报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种选择性填充 双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，包括由功能 材料选择性填充的双折射微结构光纤、外界传感参量加载装置、四端口光方向 耦合器以及偏振控制器；功能材料选择性填充的双折射微结构光纤位于外界传 感参量加载装置内，该光纤的一端与四端口光方向耦合器的端口c相连，另一 端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与四端口光方向耦合器的端 口d相连；四端口光方向耦合器的端口a与传感光源相连，端口b作为传感器 的输出端口以与传感器解调装置或光谱测量仪器相连；所述的传感器的宽带光 源的光谱覆盖0.6μm～1.7μm范围，在61με至789με的变化范围内为反应灵敏 度为25pm/με至12pm/με。
所述微结构光纤为光纤材料基底上按照三角形栅格结构排列空气孔，纤芯 由缺失一个或几个空气孔形成，功能材料选择性填充入所述微结构光纤的纤芯 周围两个空气孔形成的具有特殊双折射特性的微结构光纤，且形成的双折射微 结构光纤的群双折射在光波长0.6μm～1.7μm处存在零点。
功能材料是指其折射率随外加温度、电场、磁场、声场或光场的改变而变 化的温敏材料、电光材料、磁光材料、声光材料或光敏材料，且其折射率大于 所述微结构光纤的基底材料折射率。
所述的传感参量加载装置是指能使所述功能材料选择性填充的双折射微结 构光纤中的双折射发生改变的应变、电场、磁场、声场或光场的产生、加载和 调节装置。
所述的四端口光方向耦合器、偏振控制器工作波长范围位于所述功能材料 选择性填充的双折射微结构光纤的低损耗工作波长带宽范围内，且该波段范围 内四端口光方向耦合器的分光比在1：1附近。
双折射微结构光纤的基质材料为纯的二氧化硅材料，在基质材料上分布着 按照三角形栅格排列的五层空气孔以形成包层，空气孔平均直径为3.87μm，平 均孔间距为5.57μm，缺陷纤芯周围的两个空气孔被填充了高折射率的温敏材 料，该温敏材料在常温下波长1.55μm处的折射率为1.5036。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将所述功能材料选择性填充到所述微结构光纤的紧挨纤芯的两个空 气孔中，形成具有光子带隙和折射率引导混合传导机制的双折射微结构光纤， 该选择性填充实现的双折射微结构光纤具有特殊的相双折射和群双折射特性， 特别是其群双折射在特定波长处存在零点。将该功能材料选择性填充的双折射 微结构光纤与四端口光方向耦合器相结合形成Sagnac干涉型传感器，其中功能 材料选择性填充的双折射微结构光纤为传感头。
在该干涉型传感器中，光从输入端口进入四端口光方向耦合器中，然后被 分成功率基本相等的两束光分别从c端口和d端口输出并分别沿顺时针和逆时 针经过功能材料选择性填充的双折射微结构光纤，两束光传播一周后再回到耦 合器时，由于功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的双折射效应，两束光 之间会产生附加的相位差，从而产生干涉。根据功能材料的特性，通过改变施 加到功能材料填充的双折射微结构光纤上的相应外场，实现功能材料选择性填 充双折射微结构光纤的双折射特性的调谐，进而使得其干涉光谱特性发生改变， 干涉光谱与外界参量之间存在一一对应关系，通过解调，即实现了对外界参量 的传感测量。由于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的群双折射在 特定波长处接近于零，使得该波长附近的干涉光谱特性对外界物理量变化极其 敏感，从而具有超高灵敏度的传感特性。
附图说明
图1所示为本发明的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感 器的结构示意图。
图2所示为功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的光纤截面图；
图3所示为基于选择性填充的双折射微结构光纤的相双折和群双折射变化 示意图；
图4所示为基于选择性填充的双折射微结构光纤的相双折射变化随波长的 变化规律图；
图5是施加应变61με时，选择性填充的双折射微结构光纤Sagnac干涉 仪的应变灵敏度随波长的变化规律。
图6是为基于选择性填充的双折射微结构光纤的Sagnac干涉仪的透射谱；
图7a，7b，7c，7d和7e为与图6所示的A、B、C、D、E谐振峰的波长所 对应的变化趋势。
图8是在施加应变范围61με-789με的选择性填充的双折射微结构光纤 的透射谱。
图8a，8b，8c和8d为干涉峰A、B、E、F中的波长及灵敏度变化规律图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处 所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图所示，本发明的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感 器，包括由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤1、外界传感参量加载装置 2、四端口光方向耦合器3以及偏振控制器4；功能材料选择性填充的双折射微 结构光纤位于外界传感参量加载装置内，该光纤的一端与四端口光方向耦合器 的端口c相连，另一端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与四端 口光方向耦合器的端口d相连；四端口光方向耦合器的端口a与传感光源相连， 端口b作为传感器的输出端口以与传感器解调装置或光谱测量仪器6相连；所 述的传感器的宽带光源5的光谱覆盖0.6μm～1.7μm范围，在61με至789με的 变化范围内为反应灵敏度为25pm/με至12pm/με。即，通过调整偏振控制器，使 干涉峰的位置更接近零群双折射波长的附近，将会实现更大的应变灵敏度。
具体地，所述微结构光纤为光纤材料基底上按照三角形栅格结构排列空气 孔，纤芯由缺失一个或几个空气孔形成，功能材料选择性填充入所述微结构光 纤的纤芯周围两个空气孔形成的具有特殊双折射特性的微结构光纤，且形成的 双折射微结构光纤的群双折射在光波长0.6μm～1.7μm处存在零点。
其中，功能材料是指其折射率随外加温度、电场、磁场、声场或光场的改 变而变化的温敏材料、电光材料、磁光材料、声光材料或光敏材料，且其折射 率大于所述微结构光纤的基底材料折射率，所述的传感参量加载装置是指能使 所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤中的双折射发生改变的应变、电 场、磁场、声场或光场的产生、加载和调节装置，所述的四端口光方向耦合器、 偏振控制器工作波长范围位于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的 低损耗工作波长带宽范围内，且该波段范围内四端口光方向耦合器的分光比在 1：1附近。
将所述功能材料选择性填充到所述微结构光纤的紧挨纤芯的两个空气孔 中，形成具有光子带隙和折射率引导混合传导机制的双折射微结构光纤，该选 择性填充实现的双折射微结构光纤具有特殊的相双折射和群双折射特性，特别 是其群双折射在特定波长处存在零点。将该功能材料选择性填充的双折射微结 构光纤与四端口光方向耦合器相结合形成Sagnac干涉型传感器，其中功能材料 选择性填充的双折射微结构光纤为传感头。在该干涉型传感器中，光从输入端 口进入四端口光方向耦合器中，然后被分成功率基本相等的两束光分别从c端 口和d端口输出并分别沿顺时针和逆时针经过功能材料选择性填充的双折射微 结构光纤，两束光传播一周后再回到耦合器时，由于功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的双折射效应，两束光之间会产生附加的相位差，从而产生干 涉。根据功能材料的特性，通过改变施加到功能材料填充的双折射微结构光纤 上的相应外场，实现功能材料选择性填充双折射微结构光纤的双折射特性的调 谐，进而使得其干涉光谱特性发生改变，干涉光谱与外界参量之间存在一一对 应关系，通过解调，即实现了对外界参量的传感测量。由于所述功能材料选择 性填充的双折射微结构光纤的群双折射在特定波长处接近于零，使得该波长附 近的干涉光谱特性对外界物理量变化极其敏感，从而具有超高灵敏度的传感特 性。
作为具体实施例，双折射微结构光纤的基质材料7为纯的二氧化硅材料， 在基质材料7上分布着按照三角形栅格排列的五层空气孔8以形成包层，空气 孔平均直径约为3.87μm，平均孔间距约为5.57μm，由于包层有效折射率低于 纤芯，该光纤通过折射率引导效应导光。缺陷纤芯10周围的两个空气孔9被填 充了高折射率的温敏材料，该温敏材料在常温下波长1.55μm处的折射率为 1.5036。
1)通过选择性填充功能材料，实现了折射率引导和带隙引导共同作用的混 合传导的双折射光纤，其相双折射呈现非单调的变化趋势，群双折射在特定波 长处存在零点。而折射率引导型的双折射微结构光纤的相双折射一般是线性的， 而且群双折射也不包含零点。
(2)在零群双折射波长处，可以实现无穷大的灵敏度。越靠近零群双折射波 长附近，灵敏度越高。该发明实现了最高的应变灵敏度为25pm/με，该数值比报 道的折射率引导型的双折射微结构光纤的应变灵敏度(0.23pm/με,1.1pm/με, and 2.5pm/με)和双折射光子带隙光纤的应变灵敏度(-0.81pm/με)大了至少10 倍的数量级。
微结构光纤经选择性填充后其对称性被打破，实现了基于选择性填充的折 射率引导和带隙引导共同作用的双折射微结构光纤。由其组成的Sagnac干涉仪 的透射谱为：
其中δ＝2πLB/λ是相位差，L是选择性填充的双折射微结构光纤的长度，B是 相双折射定义为两个正交方向x和y上的模式有效折射率之差：
B＝nx-ny， (2)
其中nx和ny是两个正交方向x和y上纤芯基模的有效折射率。
群双折射Bg定义为：
干涉仪干涉峰的位置满足谐振条件：
其中，m是任意整数。
当轴向应变作用于光纤上，由于弹光效应，光纤基底二氧化硅材料的折射 率会发生改变。其改变量Δnbg可以表示为：
其中,P11，P12是二氧化硅的弹光系数和Pockel系数，Pe是有效的弹光常 数，等于0.22。同时，由于泊松比ν，光纤的轴向应变会εz导致其径向应变εr， 也就是：
轴向应变会导致光纤截面空气孔直径的变化，从而导致光纤内空气孔填充 的材料长度的变化，表示为：
综合考虑上述因素的影响，光纤干涉峰的应变灵敏度可以表示为：
其中,Bg(λ,εz)是群双折射，可以表示为：
从公式(7)可以看出，谐振波长随应变变化的灵敏度是和相双折射随应变 的变化率及群双折射Bg(λ,T)的大小和符号，以及干涉峰的波长有关系 的，但是和光纤填充的长度没有关系。
图3是该选择性填充双折射微结构光纤的相双折射和群双折射随波长的变 化规律。相双折射曲线随波长的变化是非单调的趋势，具有10-4数量级。群双 折射在波长1.6μm处，其值为0，并且在该波长值的两边，群双折射的符号是 相反的。这些特征和传统的折射率引导型的双折射微结构光纤是不同的，这是 因为纤芯周围的空气孔填充高折射率的功能性材料后，微结构光纤的传导机制 是折射率引导和光子带隙引导共同作用的混合传导机制。带隙的边界效应会对 光纤的双折射产生很大的影响。图4时计算的随波长的变化规律。
图5是根据公式(7)理论计算在3.施加应变为61με时，选择性填充的微 结构光纤的应变灵敏度随波长的变化规律。在波长1.6μm处，由于其零双折射 的特性，应变灵敏度会达到无穷大的值。距离1.6μm越近的干涉峰具有较高高 的灵敏度。而且，在1.47μm的波长处,应变灵敏度为0。
图6是填充长度L＝18cm时，在温度25℃时基于该选择性填充的双折射微 结构光纤的sagnac干涉仪的透射谱。图6是图5所示干涉峰(A)-(E)的波长随应 变的变化趋势，黑色圆点和曲线所示。将该曲线求导，可以得到干涉峰在不同 应变下的应变灵敏度，如红色曲线所示。干涉峰A-C的波长小于零群双折射波 长1.6μm，D和E的波长大于零群双折射波长1.6μm。干涉峰A-C的灵敏度随 着应变的增加而增加，干涉峰D和E的灵敏度随着应变的增加而减小。在这5 个干涉峰中，干涉峰D具有较大的应变灵敏度，为35.6pm/με至27.8pm/με。
图7实验测得的由选择性填充微结构光纤构成的sagnac干涉仪在不同应变 下的透射谱。其中插图表示实验测得的选择性填充微结构光纤的透射谱。其中 干涉峰C和D来源于纤芯模式填充柱模式的耦合，其随应变几乎不变。图8(a) -(d)绘出了图7干涉峰A、B、E和F的波长随应变的变化，如黑色圆点和曲 线所示。将这些曲线求导，得到了对应干涉峰的应变灵敏度随应变的变化。可 以看到和理论模拟具有相同的变化趋势。干涉峰F具有较高的应变灵敏度，在 61με至789με的变化范围内为25pm/με至12pm/με。
本发明的项目情况：国家自然科学基金(项目编号：11404240，61501325，61501328)；天津师范大学博士基金项目(项目编号：52XB1307，52XB1507， 52XB1406)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，其特征在于，包括由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤、外界传感参量加载装置、四端口光方向耦合器以及偏振控制器；功能材料选择性填充的双折射微结构光纤位于外界传感参量加载装置内，该光纤的一端与四端口光方向耦合器的端口c相连，另一端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与四端口光方向耦合器的端口d相连；四端口光方向耦合器的端口a与传感光源相连，端口b作为传感器的输出端口以与传感器解调装置或光谱测量仪器相连；所述的传感器的宽带光源的光谱覆盖0.6μm～1.7μm范围，在61με至789με的变化范围内为反应灵敏度为25pm/με至12pm/με。
2.如权利要求1所述的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，其特征在于，所述微结构光纤为光纤材料基底上按照三角形栅格结构排列空气孔，纤芯由缺失一个或几个空气孔形成，功能材料选择性填充入所述微结构光纤的纤芯周围两个空气孔形成的具有特殊双折射特性的微结构光纤，且形成的双折射微结构光纤的群双折射在光波长0.6μm～1.7μm处存在零点。
3.如权利要求2所述的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，其特征在于，功能材料是指其折射率随外加温度、电场、磁场、声场或光场的改变而变化的温敏材料、电光材料、磁光材料、声光材料或光敏材料，且其折射率大于所述微结构光纤的基底材料折射率。
4.如权利要求2所述的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，其特征在于，所述的传感参量加载装置是指能使所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤中的双折射发生改变的应变、电场、磁场、声场或光场的产生、加载和调节装置。
5.如权利要求2所述的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，其特征在于，所述的四端口光方向耦合器、偏振控制器工作波长范围位于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的低损耗工作波长带宽范围内，且该波段范围内四端口光方向耦合器的分光比在1：1附近。
6.如权利要求1所述的选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器，其特征在于，双折射微结构光纤的基质材料为纯的二氧化硅材料，在基质材料上分布着按照三角形栅格排列的五层空气孔以形成包层，空气孔平均直径为3.87μm，平均孔间距为5.57μm，缺陷纤芯周围的两个空气孔被填充了高折射率的温敏材料，该温敏材料在常温下波长1.55μm处的折射率为1.5036。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190524 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |