光子晶体光纤光栅在传感器系统中应用研究

屈 勇 余先伦

（重庆三峡学院电子与信息工程学院，重庆万州 404100）

光子晶体光纤光栅在传感器系统中应用研究

屈 勇 余先伦

（重庆三峡学院电子与信息工程学院，重庆万州 404100）

光子晶体光纤光栅是一种新型的无源器件，可广泛用于光纤通信系统、光脉冲压缩、传感器及滤波装置中．采用耦合模理论对光脉冲在光子晶体光纤光栅中传播进行分析，给出光子晶体光纤光栅的制作方案，提出了光子晶体光纤光栅在压力传感器、折射率传感器、应变传感器和射流传感器等方面的具体应用．光子晶体光纤光栅对温度的敏感性比传统单模光纤传感器要低2至3个数量级，光子晶体光纤光栅传感器系统不需要温度补偿，传感器系统更为简洁而具备充分的优越性．

光纤传感；光子晶体光纤；光子晶体光纤光栅；传感器

1 引 言

1978年Hill等人采用驻波写入法制成第一根光纤光栅，1989年G.Meltz实现光纤Bragg光栅（FBG）的紫外激光侧面写入，1993年Hill等人提出相位掩模写入技术，同年P.J.Lemaire等人采用低温高压载氢技术提高FBG的光敏性近2个数量级[1-2]．短周期光纤光栅属于反射型带通滤波器，长周期光纤光栅属于透射型带阻滤波器，中心波长与介质折射率和光栅周期有关，对应的应变、温度、应力、磁场的公式存在区别[3-6]．

长周期光纤光栅（LPG）是一种模式耦合器件，在纤芯上制作周期性的折射率，把光从纤芯耦合到包层模，在谐振波长处产生透射损耗．LPG由沿光纤长度方向折射率或几何结构的周期性扰动形成的．FBG传感器属于波长编码，测量信号只受波长限制，与功率无关，在进行标定后，可用于对外界参量的绝对测量，对光的突然中断不敏感，可以间断地采集数据，传感头结构简单，尺寸小重量轻，对被测结构影响小．

PCF是由中心缺陷的纤芯和周期排列的微尺寸圆柱型平行孔作为包层构成的通信介质，在一个小的光纤芯中限制较强的电磁场．PCF的光纤光栅是一种新型的光器件，大量研究工作都是集中于FBG和LPG的特性如光谱特性，基于PCF LPG传感器具有许多新的特性，如很低的温度敏感性，可以不进行温度补偿．PCF具有一些标志性特征，强烈的依赖于设计细节这类光纤可用于传感器和信号处理应用之中[6-14]．

众多研究者也注意于PCF FBG的特性和应用，如果作用的压力弱则在PCF FBG中不同的偏振的传输谱重叠，在这种条件下测量Bragg波长漂移不再可行，在航天工程、自动化工程、油井监测领域及道路桥梁健康检测等诸多领域，形变测量是一种基本技术，而光纤光栅传感器具有低密度、小尺寸，高分辨率和高精确性，对电磁干扰的不敏感性，不产生电火花，且在传感点不需要电功率等优点[15-21]．

2 光子晶体光纤光栅理论模型

假设光栅只存在于光纤纤芯中，纤芯由纯硅构成，折射率的扰动仅沿光纤纤芯，则纤芯介质的介电系数可描述为：

其中，ε0指纯硅的介电系数，Δε（z）指在一个光栅周期里介电系数的扰动，n0指纯硅折射率，Δn指一个光栅周期里折射率的改变，Λ是光栅周期，m是光栅调制级次，一般而言，Δn＜＜n0，m可取1．在光子晶体光纤光栅中，光栅折射率可表示为：

在PCF光栅的径向方向折射率分布引入微扰，光栅传播的光脉冲满足Maxwell方程组．

一般而言，引入的径向折射率波动与折射率中心值相比很小，在光子晶体光纤光栅中径向模场分布可表示为：

其中，Ai，Bi表示第i阶模沿+z和-z方向传

播的慢变包络振幅，βi表示第i阶模的传播常数．在弱光纤光栅中，在纤芯区域只有基波导模存在，因此可以假设纤芯各纵向模耦合系数可以忽略，各包层模之间的耦合也很小，也可以忽略，各轴向模间的耦合也可以忽略，对于Bragg光栅，其耦合模方程是

其中，oA是基波导模振幅，iA是传播包层模振幅，oβ，iβ表示基波导模和包层模各自的传播常数，而表示基模和包层模间失谐因子，而表示模间耦合系数．

对于长周期光栅，模式耦合主要发生在基波导模和同向传导包层模之间，其耦合模方程是：

其中，Ao，Ai表示基模和第i阶包层模的振幅，模式耦合由模式的横向电磁场分布决定，而模式之间横向耦合系数可表示为：

由失谐参数表征相位匹配的偏离，表示越靠近共振发生的条件，耦合越强，因此考虑模式耦合时，仅考虑失谐参数很小的模式，结合边界条件和数值方法即可求解耦合模方程，求得所考虑的光谱范围内的各个波长处的透射率，最终可计算出长周期光纤光栅的透射谱．这种考虑在很多情况下足够精确并能获得直观的解析解和传输系数．

3 光子晶体光纤光栅制作方案

国际上，2000年左右就已经开始在PCF中制作长周期光纤光栅，通过紫外光辐射、电弧放电和CO2激光器蚀刻或采用机械压力等方式制作光栅．采用紫外光谱区强激光辐射，可在光子晶体光纤纤芯区域沿光纤纵向产生折射率永久性的变化，形成光子晶体光纤光栅，光子晶体光纤光栅作用的波长主要集中于1.3微米和1.5微米红外区域，与光通信相关，可作为许多重要的光通信设备，如光谱仪、压缩仪和滤波器等．

研究表明光纤光栅的光敏性来源于纤芯区域的缺陷，在纤芯通过掺杂提高折射率，并在纤芯和包层间产生折射率梯度变化，这种变化发生在紫外区，可以在纤芯形成周期性的强度图案，形成折射率型光栅，折射率变化的典型值大约是10-4，对于高掺杂纤芯其值可达0.001．

可采用多种技术制作光纤光栅，第一种方法是采用驻波技术写入光栅，通常可用激光器单模单束激光入射到光纤中，光纤近端和远端反射产生后向传播的激光脉冲，两束反向传播的光干涉并形成周期性的驻波图案，则在高亮度区域光纤纤芯折射率受到调制，并沿光纤径向呈周期性变化，制作成功折射率型光纤光栅．这种光栅可以作为窄带滤波器，其工作波长在制作光栅的激光波长附近．另一种方法是采用全息相干法制作光栅，让工作在紫外区的激光器获得两束夹角为2θ的激光，两束光在纤芯裸露区域形成干涉，产生折射率光栅，这种方法制作的光栅周期可变，光栅工作波长在可见光至红外区域，光栅光栅稳定性，能够用于光通信各领域．但是这种方法制作光栅需要紫外激光在时间上和空间上具有高相干性，且对激光单脉冲能量有限制．光纤光栅还可以采用相位掩膜技术制作，使用一个与光栅周期相关的周期相位模板，紫外辐射光通过相位模板引起相位变化并传递到光纤中，在纤芯形成折射率周期性变化，制作成折射率型光栅，这种技术方案对紫外光束的时间和空间的相干性要求较低，对侧向光不敏感，可以制作长周期光栅，也可以制作出可变周期的光栅．光纤光栅也可采用逐点写入技术制作光栅，将一小段光纤曝光在高性能的单脉冲下，在下一束激光脉冲到达时周期移动光纤，这样就可在光纤中形成折射率周期变化，直接在光纤上制作光栅，这种技术可将紫外光聚焦成点，能够制作出周期超过10微米的长周期光纤光栅，这种方法制作出的光栅能够用于模式转化、偏振转化和滤波器件等中．

2005年L.B.Fu等人在《Electronics Letters》第11期上发表文章报导了一种在纯硅PCF中制作Bragg光栅的方案，在他们的方案中采用近场相位模板技术使用267 nm的飞秒激光在纯硅PCF中蚀刻光纤Bragg光栅，其实验装置图如1所示[22]．

图1 制作光子晶体光纤光栅的实验装置图

实验中PCF纤芯直径4.9μm，周围空气孔呈六角形排列，孔直径1.67μm，孔间距3.2μm，整个PCF横向区域直径35μm，外包层直径125μm，激光脉冲波长267 nm，脉冲宽度120fs，光束直径4 mm，能量70KJcm2，采用焦距为104 mm的柱透镜聚焦，光纤置于相位模板之后，制作成功的PCF Bragg光栅调制深度可达到10dB，平均折射率的改变在Δn ＞4× 10-4，光栅周期是1 061.89 nm，谐振波长是1 519.8 nm．

2008年Ho Wai Lee等人在IEEE Photonics Technology Letters上报导了一种采用CO2激光脉冲保偏光子晶体光纤中写入长周期光栅的方案[23]，其中写入脉冲是高频CO2激光脉冲，最大平均输出激光功率是10W，脉冲重复频率是5KHz，脉冲聚焦直径50μm，保偏PCF纯硅纤芯直径是5μm，光纤双折射值可达10-4，制作的长周期PCF光栅间距是460μm，周期数目是60，谐振波长与辐射的方向有关，沿慢轴方向大约是1 410 nm，沿快轴方向大约是1 345 nm．

4 光子晶体光纤光栅在各种传感器中应用

光子晶体光纤光栅目前在国内外研究最多的主要有两类，一种是PCF Bragg光栅，另一种就是长周期PCF光栅，它们主要区别在于制作的光子晶体光纤光栅的光栅周期、光栅长度、谐振波长和传输损耗等方面的区别．

4.1 PCF光栅在压力传感器系统中应用

光栅制作成功后，光栅特性会基本保持稳定，但是如采用恒定周期V形槽板在PCF中制作长周期光纤光栅，光栅的反射谱和中心波长能够在一个宽的光谱范围调谐，根据这个特征，PCF光栅能够用来测量外界压力[24]．其实验装置如图2所示．

图2 采用机械应力在PCF中制作长周期光纤光栅的实验装置图

在图2中由V形槽构成的槽板6 cm长1 cm宽，V形槽深度200mμ周期400mμ，由WLS即白光源发出的光通过PCF后，采用光谱分析仪OSA测量脉冲信号，无尽单模PCF夹在V形槽板和一个平坦金属板之间，PCF由没有掺杂的熔硅构成纤芯，直径是12mμ，包层空气孔直径4mμ，孔间距8mμ．

可以改变V形槽板与PCF所夹的角度θ，则PCF长周期光纤光栅也会跟着发生改变，其关系是，其中0Λ是V形槽板与PCF平行时所制作的光栅周期．而PCF长周期光纤光栅的谐振波长会随光栅周期增加而降低，即向短波长方向发生移动，这与普通单模光纤长周期光纤光栅的特性相反．在这个实验中谐振波长与光栅周期关系可以表示为，其中ncoeff是 PCF纤芯有效折射率，是PCF包层有效折射率．当光栅常数从805mμ降至470mμ时，PCF-LPG的中心波长从790 nm增至1 590 nm．当整个PCF-LPG长度从1.2 cm变化到1.9 cm时，其反射带宽范围在10～35 nm．

在他们的实验中在一个确定的光栅常数时，PCF-LPG的传输损耗可增加到18 dB，纤芯和包层模有效折射差能够达到10-3数量级．在1 528至1 562 nm光谱范围里增益平坦，因此PCF-LPG能够用于应力传感器系统装置中，但其测量的应力存在一定范围，如果增加的应力超过一定的量值，光栅可能会断裂．

4.2 PCF光栅用于折射率传感器系统

PCF-LPG可用于折射率传感装置中，X.Yu在2008年报导了这种方案[25]．文献16中研制了一种基于机械方法制作的PCF长周期光栅，使用的PCF属于无尽单模PCF，空气孔直径3.68μm，孔间距8μm，裸光纤区域直径60μm，光纤外层直径125μm，改变外力作用可得不同光栅周期的PCF-LPG，光源采用超发光二极管，输出的传输谱通过光谱分析仪观察，传输谱范围可达150 nm，谐振波长是1 420 nm，在PCF-LPG传感器系统中可以不使用偏振片，信号输出稳定．如果在PCF的空气孔中填充液体，当渗透液折射率从1.32增加至1.38时，谐振波长能够从1 429.50 nm漂移至1 414.80 nm，在满足相位匹配条件时纤芯和包层模的有效折射率差是2.38× 10-3．当谐振波长漂移17.1 nm时，折射率单位改变量是Δn=0.07，通过信号解调技术，可获得这种传感器系统的折射率敏感度是4.1× 10-5折射率单位．通过实验比较PCF-LPG折射率型传感器与传统单模光纤制作的光栅传感器相比较，其热稳定性是其3倍．

4.3 PCF光栅在应变传感器系统的应用

Chun-liu Zhao等人在2008年报导了一种对温度不敏感的应变传感器，其装置如图3所示[26]．

图3 PCF长周期光纤光栅温度不敏感应变传感器

在这种传感器系统中，激光光源采用二极管激光光源，输出信号采用分辨率是0.5 nm光谱分析仪进行分析．实验方案里PCF采用无尽单模PCF，PCF结构由实芯纤芯和空气孔/硅结构组成，孔直径3.55mμ，空气孔间距7.78mμ，裸光纤区域直径60mμ，外层直径125mμ，采用重复频率是10 kHz，最大功率为10 W的CO2激光器在PCF中蚀刻长周期光纤光栅，蚀刻的长周期光纤光栅周期467mμ，谐振波长有两个，1 363.3 nm和1 552.4 nm，在1 552.4 nm波长处传输损耗可增加到20dB，系统中LPG的插入损耗是1.5dB．制作的光栅随光栅周期增加其谐振波长向短波长方向移动．PCF-LPG的应变灵敏度可表示为

4 PCF光栅在气体和液体传感器中应用

2006年，J.F.Nikolaos等人报导了基于PCF Bragg光栅的射流传感器[27]，PCF采用纯硅纤芯和六角排列的微结构孔构成，在孔中充满不同成分的气体，研究的光栅光栅常数选择为1.0μm，光栅长度选择70 mm，有效折射率改变量8× 10-4．他们证明合适和光栅的设计参数，通过计算PCF光栅的反射谱漂移能够获得紧致的传感器平台，也充分证明采用PCF光栅可作为气体或液体传感器，文章也更进一步分析了PCF光栅的热光灵敏度，它能用于波分复用系统里．

5 结 论

光子晶体光纤光栅在2002年左右就已经广泛开展了研究，光子晶体光纤光栅主要有Bragg光栅和长周期光纤光栅，这种光栅主要采用CO2激光器或紫外光单脉冲或相位模板写入法等方法制作，制作的光栅其谐振波长主要分布在光纤通信的光波段领域，也能够对光栅的谐振波长进行一个较长波长范围调谐，因此这种光栅能够用于光纤通信系统、光脉冲压缩装置和光信号滤波系统，同时光子晶体光纤光栅的温度敏感性与传统单模光纤传感器相比较要低2～3个量级，光子晶体光纤光栅用于传感器系统中时可以不采用温度补偿装置，光子晶体光纤光栅传感器系统更为简洁，能够广泛用于道路桥梁、油井监测等方面，在各种传感器应用中具有潜在的巨大优越性．

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（责任编辑：于开红）

An Application-oriented Study of Photonic Crystal Fiber gratings in Optical Fiber Sensing System

QU Yong YU Xianlun
(School of Electronics and Information Engineering, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing 404100)

As a new passive device, photonic crystal fiber grating can be widely used in optical fiber communication systems, optical pulse compression, sensors and filtering devices. With the coupled-mode theory, this paper analyzes the optical pulses propagation in photonic crystal fiber gratings, and the obtained methods of photonic crystal fiber gratings. It summarizes its applications in photonic crystal fiber grating pressure sensor, the refractive index sensors, strain sensors and the fluidic sensors. The temperature sensitivity of photonic crystal fiber grating is at lower 2-3 orders of magnitude than that of conventional single-mode fiber, photonic crystal fiber grating sensor does not need temperature compensation, so this sensors is more concise and sufficiently superior.

optical fiber sensing; Photonic Crystal Fiber; Photonic Crystal Fiber gratings; sensor

TN929.11

A

1009-8135（2014）03-0035-06

2014-03-16

屈 勇（1977-），男，重庆三峡学院电子与信息工程学院讲师，主要研究光纤光栅传感器和教育技术．余先伦（1967-），男，重庆三峡学院电子与信息工程学院教授，硕士生导师，主要研究光子晶体光纤、光纤光栅传感器．

重庆市教委科学技术研究项目（项目编号：KJ131121）、重庆市高校创新团队资助项目阶段性成果