选择性填充光子晶体光纤的高灵敏温度传感

尤承杰,施伟华

(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)



选择性填充光子晶体光纤的高灵敏温度传感

尤承杰,施伟华

(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)

摘要:为了研制具有更高灵敏特性的温度传感器,文章提出利用光子带隙效应,在PCF(光子晶体光纤)中选择性填充热敏液体实现高灵敏温度传感。应用全矢量平面波展开法计算光纤带隙,带隙及其宽度随温度规律性漂移。当在包层空气孔中选择不同位置和结构填充热敏液体时,发现仅填充内层空气孔时,带隙随温度漂移造成的变化率最大。当在包层第一层空气孔中填充热敏液体,晶格周期Λ=9μm,空气填充率分别选取d/Λ=0.9和d/Λ=0.5时,带隙边界波长检测和带隙宽度检测的温度灵敏度分别可达到22.07和7.01 nm/℃,具有精确度高和系统结构简单的优点。

关键词:光纤光学;光子晶体光纤;温度传感器;选择性液体填充;光子带隙

0　引 言

PCF(光子晶体光纤)温度传感利用了其结构的可设计性和空气孔的可填充性,具有抗电磁干扰、集传感与传输于一体、实现远距离测量和高危环境下监测等优点[1-2],受到国内外学者的广泛关注和高度重视。2009年,Yu[3]等人在全反射型PCF包层空气孔中填充乙醇液体,设计了一种基于强度调制的全反型PCF温度传感器,灵敏度达到0.315 d B/℃; 2013年,Peng[4]等人通过控制PCF后处理过程中的空气孔塌陷,提出了一种基于液体选择性填充的PCF温度传感器,温度灵敏度达到-5.5 nm/℃; 2014年,Hsu[5]等人提出了基于液体填充的PCF迈克尔干涉仪,灵敏度也有所提高。总的看来,PCF温度传感的研究工作主要基于全内反射型PCF,检测机制主要为光强损耗检测和干涉频谱波长检测。光强损耗检测影响因素多、误差较大;而相对精度较高的干涉型频谱检测则存在设备复杂等问题。本文基于PCF的带隙效应,采用带隙边界波长及宽度检测机制,有效提高了检测精度和灵敏度,通过热敏液体选择性填充PCF的包层结构并对结构参数进行优化,进一步实现温度高灵敏度传感。

1　光子带隙效应原理及数值计算方法

1.1光子带隙效应的原理

研究发现,在带隙型PCF内存在温致带隙压缩和漂移[4,6]效应,即在填充热敏液体的带隙型PCF内存在带隙位置随温度变化而漂移的现象,体现为带隙的起始波长与截止波长的变化;与此同时,还存在带隙相对宽度的变化。

热敏液体的折射率随温度的变化关系可表示为

式中,T为工作温度;α为液体的热敏系数;T0为某一已知温度,n0为该温度下液体的折射率。光纤基底材料选用石英时,其热敏系数比较小,约为8.6× 10-6℃-1,可以忽略热膨胀对基底材料形状和折射率的影响[7]。对于石英芯PCF,当包层空气孔中填充高折射率的热敏液体时,温度的变化会引起液体折射率的变化,相应的带隙边缘波长会发生漂移,边缘波长的变化与温度变化前后的液体折射率、石英的折射率有关[8]。

1.2数值计算方法

为研究带隙效应对应的边缘波长漂移,采用平面波展开法分析PCF的光子带隙结构。应用布洛赫定理,将电磁场在倒格子空间以平面波形式展开,计算周期结构的光子能带[9-10]。光子晶体的介电常量ε(r)、电矢量E(r)和磁矢量H(r)为周期函数,结合布洛赫定理将其展开为傅里叶级数,再将倒格子空间的展开式代入特征方程,得到

式中,k为简约波矢,G为倒格矢,w为单色光波的频率,c为真空中的光速。

通过标准矩阵对角化方法,求出矩阵的特征值和特征向量,可以得到光子晶体的能带结构以及电磁场在空间的分布。在空气孔中选择性填充高折射率液体,破坏了PCF的完整周期性,需要根据不同填充的方式定义不同超晶胞进行求解。

2　仿真结果与分析

2.1液体填充PCF温度传感特性研究

本文选取商用的宽带单模PCF结构,其具体参数如下:基底材料为石英,空气填充率d/Λ=0.5,晶格周期Λ=5μm,空气孔直径d=2.5μm,层数为5 层;横截面如图1所示。填充液体选取Cargille实验室研制的聚合物折射率液Cat.19340,室温(25℃)时其折射率为1.5143,热敏系数为0.000 393℃-1[8]。聚合物液体线性膨胀系数较小,温度在20～80℃范围内变化时由热敏液体膨胀产生的应力较小,可忽略不计。

图1　PCF横截面示意图

当空气孔未填充时,实心PCF属于折射率引导型光纤;在空气孔中填入高折射率材料后,转变成光子带隙引导型光纤[11]。当空气孔全填充时,第一带隙边界波长随温度变化如图2所示。

图2　带隙边界波长随温度变化曲线

热敏液体的热敏系数为正值,温度升高使得填充液体有效折射率减小,从而导致包层周期结构的有效折射率随之减小。

2.2液体选择性填充影响温度传感特性的分析

在PCF空气孔中填充热敏液体可以有效地提高温度灵敏度,而填充液体的位置会进一步影响温度传感特性。为此分别对图1中PCF包层的第一层、第二层、第三层、第一和二层、第二和三层、全填充聚合物折射率液Cat.19340的情况进行比较,得出带隙边界波长以及带隙宽度特性的变化,分别如图3、图4所示。

图3　带隙边界波长随6种不同填充结构变化曲线

不同的液体填充结构会造成带隙漂移及带隙宽度的改变,当包层空气孔选择性填充高折射率的热敏液体时,由于纤芯基底为Si,而包层同时有高折射率柱及空气孔低折射率柱,此时该光纤的导引机理应为单带隙+全内反射导引型,即为空气孔包层结构导致的全内反射型和高折射率液体包层结构导

致的带隙导引型的混合作用[12],不同的填充情形造成混合作用的变化,从而改变了带隙和温度灵敏度。

从上述仿真计算及其拟合结果可知:相同温度时,在同一填充层数(一层或两层)下带隙边界波长越长,带隙宽度越大,温度灵敏度越高;填充第一层的带隙边界波长、带隙宽度均大于填充其他结构,填充第一层时温度灵敏度最高。在仅填充一层热敏液体时,相比于填充外层空气柱,填充内层第一层空气柱时,带隙边界波长向长波方向移动、带隙宽度增大、温度灵敏度增加;在图3、图4中,带隙边界波长变化对应的温度灵敏度可达9.92 nm/℃,而带隙宽度变化对应的温度灵敏度可达5.46 nm/℃。

2.3结构参数影响温度传感特性分析

决定带隙结构的是PCF包层的晶格排列结构,主要参数为填充率和晶格周期Λ。选择热敏液体填充包层内层第一层,取Λ=5μm,改变空气填充率,仿真25℃时带隙特性的变化,结果如图5所示。

图4　带隙宽度随6种不同填充结构变化曲线

图5　晶格周期一定,带隙随空气填充率变化曲线

当填充率较小时,布拉格散射(Bragg Scattering)起主导作用;而当填充率比较大时,米散射(Mie Scattering)起主导作用,从而使光子带隙宽度呈先增大后减小的趋势[13];当空气填充率为0.5时,对应位置的带隙宽度达到最大。带隙边界波长随填充率增加而增大。

据此,在设计温度传感器光纤结构参数时,应根据所选择的检测机制(边界检测或宽度检测)来确定空气填充率的大小,以获得更高的温度灵敏度:若选择带隙边界波长检测机制,可考虑选取大空气填充率(0.8～0.9)的PCF;若选择带隙宽度检测机制,则应选取空气填充率为0.5左右的PCF。

接着考虑晶格周期对温度传感特性的影响。在热敏液体只填充第一层的前提下,取PCF的空气填充率为0.5,晶格周期为3～9μm,仿真得到25℃时带隙特性随晶格周期的变化曲线如图6所示。

图6　空气填充率一定,带隙随晶格周期变化曲线

可以发现,带隙的边界波长和宽度均随晶格周期的增大呈线性增长。这是由于其他因素不变使得PCF中传播模式的归一化频率V=2πΛ/λ未有变化,推出截止带隙边界波长λm=2πΛ/V只与晶格周期Λ有关,因此Λ的线性增大,使其带隙边界波长λ也线性增长,相应的带隙宽度也就线性增宽了。

据此,选择晶格周期较大的PCF时,其温度传感特性也就相对更好。但也要考虑制备和与传统光纤熔接的问题,因此晶格周期不可过大,防止包层厚度过大。以本方案的5层空气孔结构为例,晶格周期选取8～9μm为宜。

在带隙边界波长检测机制下,选取空气填充率d/Λ=0.9,晶格周期Λ=9μm,热敏液体选择仅填充第一层。此时,温度灵敏度达到了22.07 nm/℃,如图7所示。

图7　优化方案带隙边界波长随温度变化的曲线

在带隙宽度检测机制下,选取d/Λ=0.5,Λ= 9μm,热敏液体选择仅填充第一层。此时,温度灵敏度达到了7.01 nm/℃,如图8所示。

图8　优化方案带隙宽度随温度变化的曲线

3　结束语

采用全矢量平面波展开法对液体选择性填充PCF的温度传感特性进行了计算和分析。当热敏液体在包层空气孔中选择不同位置和结构填充时,光纤为空气孔包层结构导致的全内反射型和高折射率液体包层结构导致的带隙导引型的混合作用;发现仅填充内层空气柱时,随温度改变的热敏液体折射率对带隙漂移造成的变化率最大;晶格周期一定时,随着空气填充率的增大,带隙出现红移,带隙宽度先增大然后逐渐变小;空气填充率一定时,带隙的边界和宽度基本上随晶格周期的增大呈线性增长。最终通过仿真结果得出,在带隙边界波长检测和带隙宽度检测两种检测机制下,温度灵敏度可分别达到22.07和7.01 nm/℃,前者有较高的灵敏度,而后者一定程度上可以消除无关因素的干扰,减小误差。本文的工作将有利于选择性填充PCF及传感技术的进一步发展和研究。

参考文献:

[1] Knight J C .Photonic crystal fibres[J].Nature, 2003,424:847-851.

[2] Christos Markos.Photonic-crystal fibre:Mapping the structure[J].Nature Photonics,2015,9(1):9-11. [3] Yu Yongqin,Li Xuejin,Hong Xueming,et al.Some features of the photonic crystal fiber temperature sensor with liquid ethanol filling[J].Opt Express,2009, 18(15):15383-15388.

[4] Peng Yang,Hou Jing,Zhang Yang,et al.Temperature sensing using the bandgap-like effect in a selectively liquid-filled photonic crystal fiber[J].Opt Letters,2013,38(3):263-265.

[5] Hsu J M,Horng J S,Hsu C L,et al.Fiber-optic Michelson interferometer with high sensitivity based on a liquid-filled photonic crystal fiber[J].Opt Commun,2014,331:348-352.

[6] Lei W,Lars E,Johannes W S,et al.Continuously tunable all-in-fiber devices based on thermal and electrical control of negative dielectric anisotropy liquid crystal photonic bandgap fibers[J].Applied Opt, 2009,48(3):497-503.

[7] Bise R T,Windeler R S,Kranz K S,et al.Tunable photonic band gap fiber[C]//OFC 2002.Anaheim, California:OSA,2002:466.

[8] Zhang Y F,Chan C C,Sun J.Enhancement of temperature measurement by using photonic bandgap effect[J].Actuat a-phys,2010,157:276-279.

[9] Li She,Li Jun Qing,Cao YuSheng.Polarization characteristics of chiral photonic crystal fibers with an elliptical hollow core[J].Chinese Phys B,2013,22 (11):117806-1-5.

[10]余重秀,苑金辉,申向伟.光子晶体光纤的研究新进展[J].光学学报,2011,31(9):0900139-1-5.

[11]Wolinski T R,Szaniawska K,Ertman S,et al.Influence of temperature and electrical fields on propagation properties of photonic liquid-crystal fibres[J].Meas Sci Technol,2006,17(5):985-991.

[12]程同蕾,柴路,栗岩锋,等.混合导引型光子晶体光纤中纤芯折射率相关的导光特性研究[J].物理学报, 2011,60(2):024216-1-5.

[13]安鹤男,欧阳征标,许桂雯,等.二维光子晶体结构参量对光子禁带特性的影响[J].光学学报,2004,24(6): 842-846.

Temperature Sensing Based on Selective-Filled PCF

YOU Cheng-jie,SHI Wei-hua
(School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Abstract:For the development of a temperature sensor with still higher sensitivity,this paper proposes to selectively fill thermosensitive fluid into the PCF by using the photonic bandgap effect so as to achieve highly sensitive temperature sensing.It calculates the bandgap using the full vector plane wave expansion method and the bandgap and its width drift regularly with temperature.When the thermosensitive fluid is selectively filled in the different locations and structures of the cladding air holes it is found that when only the inner air holes are filled,the variation caused by the bandgap with temperature drift is the maximum;When the 1st-layer air holes of the cladding is filled with the fluid,the lattice periodΛ=9μm and air-filling ratio are repectively selected as d/Λ=0.9 and d/Λ=0.5,the temperature sensitivity in bandgap boundary wavelength detection and band-gap width detection can be 22.07 and 7.01 nm/℃respectively,which shows the advantages in high accuracy and simple system structure.

Key words:fiber optics;PCF;temperature sensor;selective liquid filling;photonic bandgap

中图分类号:TN253

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0055-04

收稿日期:2015-07-25

作者简介:尤承杰(1991-),男,江苏苏州人。硕士研究生,主要从事光纤传感方面的研究。

通信作者:施伟华,副教授。E-mail:njupt_shiwh@126.com

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.017