基于实芯光子晶体光纤的本征型法布里⁃珀罗温度传感器

基于实芯光子晶体光纤的本征型法布里⁃珀罗温度传感器

付兴虎1，2，∗，谢海洋1，刘 涛1，郭 朋1，付广伟1，2，郭 璇1，2，毕卫红1，2

（1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛066004）

摘 要：本文提出一种基于实芯光子晶体光纤（Photonics Crystal Fiber，PCF）的本征型法布里⁃珀罗干涉（Intrinsic Fabry⁃Perot Interferometer，IFPI）温度传感器。该传感器仅需两次电弧熔接即可制备而成。对不同腔长的传感器进行了温度传感实验，实验结果表明，在20～90℃的温度变化范围内，传感器具有较好的温度灵敏度，且在一定长度范围内，F⁃P腔长越长，灵敏度越高，最高可达16.34 pm/℃。因此，该传感器具有制作简单、结构稳定、灵敏度高等优点，可用于不同场合的温度传感领域。

关键词：实芯光子晶体光纤；IFPI温度传感器；F⁃P腔；单模光纤

0　引言

温度作为航空航天、企业生产、工程制造等领域中的生产和控制的重要参数之一，对其检测的重要性日益凸显。与传统的温度传感器相比，光纤传感器具有体积小、质量轻、响应速度快、抗电磁干扰能力强等特点［1⁃3］，可用于众多特殊环境的温度检测。而在众多光纤传感器中，光纤IFPI传感器有着较好的发展。近年来，各种新颖的IFPI结构及其制作方法层出不穷，如基于纳米薄膜［4⁃6］、光纤光栅［7⁃10］和特种光纤［11⁃13］等。基于纳米薄膜的IFPI利用在已切平的光纤端面上镀一层特殊材料薄膜，使增强F⁃P端面反射率或形成F⁃P腔，从而获得对比度明显的反射谱。然而，这种传感器受镀膜工艺的影响较大，因此制作复杂、成本高；基于光纤光栅的IFPI则通过使用布拉格光栅（FBGs）形成F⁃P的反射镜，布拉格光栅窄带宽的特性能轻松提高传感器的复用数量。然而，光栅的写入过程复杂，成本较高，且其结构的不稳定性在一定程度上限制了其应用；基于特种光纤的IFPI采用熔接的方法，将特种光纤与单模光纤熔接在一起，利用两种光纤纤芯折射率差异造成熔接处的折射率的跃变从而形成反射，该方法制备简单，成本较低，因而能有效地解决上述两种结构的IFPI所存在的问题。而光子晶体光纤具有结构灵活多变、大模场面积、无限单模传输等诸多优点，更是在该类传感器中崭露头角，有着更为广泛的应用。

本文提出了一种微型的基于实芯PCF的IFPI温度传感器。该传感器制作简单，仅需通过简单的电弧熔接即可制备而成。PCF纤芯与空气之间较大的折射率差异，使其与空气接触的端面具有较强的反射率，从而在一定程度上增强了反射谱的对比度。同时该端面经电弧熔接后，能有效地隔绝空气孔与外界的接触，避免杂质或水蒸气通过并进入F⁃P腔内对干涉造成影响，因而提高了实验测量的准确度。本文分别制备了几种不同腔长的IFPI，并将其应用于温度的传感实验。

1　IFPI结构及温度传感原理

1.1IFPI温度传感器的制备

基于实芯PCF的IFPI温度传感器的结构如图1所示。它是将PCF的一端通过光纤熔接机与SMF熔接，而另一端切平后经二次处理而制成的。实验中，制作IFPI所使用的光子晶体光纤为长飞光纤光缆有限公司生产的SM⁃10型实芯PCF，其外包层直径为125 μm，纤芯直径为9.5 μm，具有3层空气孔，呈六边形结构排列，空气孔直径为2.73 μm，孔间距约为3.35 μm，热膨胀系数为5.5× 10－7/℃，热光系数6.45×10－6/℃；所使用的光纤熔接机为古河公司生产的S178型电弧熔接机。为使两光纤熔接面处有较强的反射率，熔接机的放电电流设置为84 mA，预放电时间及放电时间分别设置为0.2 s和0.3 s。此时，熔接点处PCF的空气孔完全塌陷，其显微镜下的图像如图1（a）所示。PCF空气孔的存在，使得外界空气中杂质与水蒸气能通过PCF与外界空气接触的端面轻易进入光纤内部，从而影响F⁃P腔的干涉情况，致使实验结果不准确。因此，为避免这种情况，该端面处被放置于熔接机两放电电极中间，并放电一次处理。电弧放电使得端面处光纤受热并结构改变，使得该处空气孔完全塌陷，使光纤内部空气孔与外界环境完全隔离，从而起到了密封的作用。该端面显微镜图像如图1（b）所示。

图1　基于实芯PCF的IFPI温度传感器的结构图Fig.1　Structure of the IFPI temperature sensor based on solid core PCF

1.2温度传感原理

基于实芯PCF的IFPI温度传感器的原理图如图2所示。R1和R2分别为PCF与SMF的熔接面和PCF与空气接触的端面，二者均有一定的反射率，因此构成了IFPI温度传感器的两个反射面。

图2中，光束1由于光的全反射的作用在输入SMF中传播；当传输到熔接面R1时，一部分光（光束3）由于菲涅耳反射效应反射回原SMF，而另一部分光（光束2）则会透射进入F⁃P腔内，并传输到反射面R2处；同样，光束2在F⁃P腔和导出光纤的界面也会发生菲涅尔反射与透射，并产生反射光束5和透射光束4；光束5再返回传输到R1时，又会形成反射光束7和透射光束6；依次类推。因此，光束3、6、10等相互干涉并沿着输入SMF反向传输。

R2端面外为空气，在实验过程中，随着温度的升高，外界空气的压强发生了变化，因而其折射率也会发生变化，从而引起R2反射率的改变。但是这种反射率的变化量是十分微小的，可以忽略不计，具体原因分析如下：

端面R2处的菲涅尔反射的反射率可表示为［14］式中，ncore＝1.458为PCF纯石英纤芯的有效折射率，n为外界环境的折射率。当传感器置于不同外界环境时，由式（1）可知R2的反射率也会发生变化，其与外界环境折射率之间的关系如图3所示。

图3　R2的反射率与外界环境折射率之间的关系Fig.3　Relationship between the R2reflectivity and external refractive index

如图3所示，在反射条件满足的情况下，即n＜ncore时，随着外界环境折射率的增加，端面R2的反射率C的取值越小。将上述传感器应用于温度传感实验中，由文献［15］可知，温度的升高会引起气体压强的变化，从而引起空气折射率的变化。然而，在小范围温度变化范围内，这种变化是十分微小的，即实验过程中空气的折射率始终位于1附近。因此，从图3中可知，实验过程中R2端面反射率约为3.4%，考虑到熔接点处存在的熔接损耗，光束10的能量应远低于光束3能量的0.115 6%。综上所述，与光束3和光束6相比，经过多次反射后的光束10能量十分微小，通常可忽略不计。由此可以推断，在小范围温度变化的传感实验中，由F⁃P腔两个反射面反射后所检测到的光的能量主要是光束3和光束6的能量。这一过程中，由于F⁃P腔的存在，二者的传输路径不同，因此它们之间必然存在着一个光程差，并最终发生干涉。因此，当F⁃P腔内的折射率和光纤纤芯的折射率相差不是很大，即两个界面的菲涅尔反射比较小时，所产生的干涉现象中起主要作用的是两反射端面第一次反射后的光（光束3与光束6），从而多光束干涉可近似等效为双光束干涉。反射光的光程差及光强可分别表示为式中，l为PCF的接入长度，即IFPI温度传感器的腔长；I1和I2分别为IFPI两个端面的反射光强，可近似为两端面第一次反射光的光强（光束3与光束6）；λ为自由空间光波长；φ0为两干涉光的初始相位差。由式（3）可知，干涉条纹第m级波峰处的波长λm满足对式（4）做一些必要的变换并联立式（2）可得由式（5）可知，对某一确定的干涉级次，其光程差与该级次波谷处的波长成正比，即L∝λm。

将该IFPI传感器应用于温度的传感实验，随着温度的升高，由于热光效应及热膨胀效应的影响，F⁃P腔的长度和PCF纤芯的有效折射率会随之而变化，从而引起光程差的改变，由式（2）可知

式中，ξ和α分别为PCF纤芯的热光系数与热膨胀系数。在通常情况下，光纤纤芯的热膨胀系数和热光系数均可视作为常数。因此，从式（6）中可以看出，F⁃P腔的光程差变化量与温度的变化呈正比，即ΔL∝ΔT，联立式（5）与式（6）可得

由式（7）可得，通过测量干涉条纹某波长或波谷处的波长的移动量，可以实现对温度的测量。由于实验中使用宽带光源的范围为1 520～1 610 nm，因此，通过式（7）可知上述3种传感器的温度灵敏度数量级应为10 pm/℃。从式（7）中还可以看出，当不考虑干涉光初始相位且温度的变化量一致时，F⁃P腔长度越长，对应的某一确定的波峰处波长的漂移量越多，即传感器的温度灵敏度越高。联合式（4）和式（7）可知，传感器长度的增加会使得该波峰级次m的变化，当长度的变化量足以引起m的数值发生改变时，传感器的温度灵敏度便不再增加。传感器温度灵敏度与长度之间的关系如图4所示。

图4　传感器温度灵敏度与长度之间的关系Fig.4　Relationship between temperature sensitivity and sensor length

由图4可知，在传感器长度为16～21.3 mm的变化范围内，对应的温度灵敏度变化范围为10.86～14.49 pm/℃，其温度灵敏度与长度的变化成正比关系。此外，由于计算过程中并未考虑初始相位值，因此理论计算数值应略低于实际测量值。

2　实验与分析

2.1实验系统

制备腔长分别为19 mm、20 mm、21 mm的上述IFPI传感器，3种不同腔长的传感器在常温下的干涉谱线如图5所示。

搭建如图6所示的温度测量实验系统，并分别将上述制备的3种不同腔长的传感器进行温度的传感实验。实验中，所使用光源为上海飞秒光电技术有限公司生产的ASE3700型宽带光源，波长范围为1 520～1 610 nm；OSA是由YOKOGAWA生产的AQ6317C型光谱仪，分辨率为0.02 nm。

图5　不同腔长的IFPI在常温下的传输光谱Fig.5　Spectrum of the IFPI with different cavity length

图6　温度传感实验系统Fig.6　Experimental system diagram of the temperature sensor

2.2实验结果与讨论

将3种不同腔长的IFPI分别进行温度的传感实验，传感器被置于上述实验系统的温度控制箱中，且呈笔直状态并被固定在载物片上，以排除实验过程中引入弯曲的交叉敏感问题。参考国内外温度传感器方面的报道所采用的温度变化范围［16⁃18］，本实验所选取的温度条件范围为20～90℃。实验过程中，调节温度控制箱，使得箱内温度从20℃上升至90℃，每10℃调节一次并记录反射光谱，每次记录前维持温度10 min，以减小实验的误差。经多次实验后所获得的各腔长IFPI温度传感器的反射光谱与温度的变化关系如图7所示。

取各传感器反射光谱中波长为1 566 nm附近的波峰作为观察点以更好观测各传感器反射光谱随温度的变化规律。由图7可见，随着温度的增加，3种不同腔长IFPI的反射光谱都有较明显的变化，观测点处均有不同程度的红移现象。为了更好区分3种不同腔长的IFPI的温度灵敏度之间的差别，对图7中三者在观察点处的峰值漂移量进行数据拟合分析，得到各传感器在该波峰处波长的漂移量与温度之间的关系如图8所示。

由图8可见，随着温度的升高，3种不同腔长的IFPI的反射光谱向长波长方向漂移，即发生红移现象。对应的温度灵敏度分别为13.57 pm/℃、14.99 pm/℃、16.34 pm/℃，且均具有较好的线性关系。综上所述，3种不同腔长的IFPI均具有较好的温度灵敏度，数量级均为10 pm/℃，且传感器的温敏特性与F⁃P腔的长度成正比，与之前的理论分析十分吻合。因此，该类型传感器能较好的应用于温度的传感领域。

图7　IFPI的传输光谱与温度的变化关系Fig.7　Relationship between the spectrum and temperature

图8　1 566 nm附近波峰的波长漂移值与温度之间的关系Fig.8　Relationship between the wavelength shift near 1 566 nm and temperature

3　结论

本文提出一种基于实芯PCF的IFPI温度传感器，它是在PCF的一端通过光纤熔接机与SMF熔接，而另一端切平后经二次处理后制备而成的。文中首先分析了此类IFPI的传感机理，并理论计算了其温度灵敏度，随后在其他外界条件基本保持不变的情况下，对腔长分别为19 mm、20 mm和21 mm的传感器进行温度传感特性的研究，温度变化范围为20～90℃。实验结果表明，3种不同腔长的IFPI传感器具有不同的温度灵敏度，分别为13.57 pm/℃、14.99 pm/℃、16.34 pm/℃，均具有较好的线性度，且与理论分析有较高的一致性。因此，该制作简单、结构稳定、性能优良的传感器能较好地应用于温度的传感领域。

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Intrinsic Fabry⁃Perot interferometer temperature sensor based on solid core photonic crystal fiber

FU Xing⁃hu1 2XIE Hai⁃yang1LIU Tao1GUO Peng1FU Guang⁃wei1 2GUO Xuan1 2BI Wei⁃hong1 2

1.School of Information Science and Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China 2.The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractA novel intrinsic Fabry⁃Perot interferometer IFPI temperature sensor based on solid core photonic crystal fiber PCF is proposed in this paper.It is easy to fabricate by fusion splicing method.Different cavity length of this sensor are prepared and then its emperature sensing properties are demonstrated experimentally.The experiments result show that all of them have good temperature ensitivity in the range of 20～90℃ and with the increase of F⁃P cavity length which varies in a short range the temperature sensi⁃ivity is gradually increased and can up to 16.34 pm/℃.Therefore this sensor has many advantages such as simple⁃produced stable tructure good linearity and so on and can be used in temperature sensing field.

Key wordssolid core photonic crystal fiber IFPI temperature sensor F⁃P cavity single mode fiber

文章编号：1007⁃791X（2015）02⁃0114⁃06

作者简介：∗付兴虎（1981⁃），男，河北故城人，博士，讲师，主要研究方向为特种光纤传感，Email：fuxinghu＠ysu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61205068，61475133）；河北省科技计划资助项目（13273305，12963550D）；河北省高等学校青年拔尖人才计划项目（BJ2014057）；燕山大学“新锐工程”资助项目；燕山大学信息学院优秀青年基金资助项目（2014201）

收稿日期：2014⁃07⁃13

DOI：10.3969/j.issn.1007⁃791X.2015.02.003

文献标识码：A

中图分类号：TN253