一种基于光子晶体光纤的高灵敏度温度传感器

刘 柯，周雪芳，周 豫

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是一种带有线缺陷的二维光子晶体，光纤包层为呈周期分布的空气孔，由石英或空气孔等物质构成具有线缺陷的纤芯，光被限制在纤芯中传播[1]。PCF有很多传统单模光纤无法实现的特性，在填充材料的选择和微结构的改变上有着丰富的自由度，已成为光学与光电子学领域的研究热点[2]。在传感领域的应用中，调整光纤内部的结构参数或作用长度可获得不同的传感特性，有着极高的应用价值[3]。传统的高双折射光纤将GeO2掺杂到纤芯中，在某些特定情况下，传输损耗升高，温度稳定性降低[4]。PCF本身双折射系数较低，但通过改变空气孔大小、结构等方法，可得到很高的双折射系数，并有优越的稳定性。同时，填充温敏材料可以进一步改变双折射系数，从而提高其温敏特性[5]。Liang J.等[6]在PCF的纤芯处加入椭圆空气孔，获得高达2.18×10-3的高双折射系数。Qian W.W.等[7]将PCF的高双折射系数应用于温度传感测试中，获得不错的温度灵敏度。綦菲等[8]将乙醇填充进边孔光纤的空气孔中，乙醇的折射率随温度变化，进而改变边孔光纤的双折射系数，利用这一特性，设计出灵敏度为86.8 pm/℃的Sagnac干涉型温度传感器。学者们从吸收光谱的测量原理出发，利用PCF的空气孔来增强光与物质的作用率从而提高气体吸收灵敏度，设计出气体传感测试系统，如阴亚芳等[9]设计的二氧化碳传感器，黄国家等[10]利用一种由复合敏感薄膜包覆的PCF，并级联入马赫-曾德干涉传感模型，实现了对硫化氢气体的高灵敏度传感测量。上述设计已实现了传感器的低成本、小体积，宽响应度等，但仍然存在灵敏度不高、光纤难以拉制等问题。本文使用全矢量有限元分析软件COMSOL Multiphysics，通过仿真和实验设计了一种乙醇填充的新型PCF熔接入Sagnac干涉仪的温度传感器。

1 PCF的传感模型

1.1 PCF的理论模型

对于PCF中的传输特性问题，通过Maxwell方程可得到PCF的本征值方程[11]：

(1)

(2)

式中，H为磁场强度，E为电场强度，εr和μr分别为介质的相对介电常数和相对磁导率，c为真空中的光速，ω为光波角频率。

图1 PCF截面仿真分析图

首先，使用COMSOL Multiphysics对PCF进行仿真，建立PCF模型，采用四层空气孔的六角形排列结构，并去除纤芯左右各2个气孔来改变纤芯的圆对称性，使得纤芯中x轴与y轴方向上的结构产生差异，增大双折射系数。光纤的纤芯半径为df=12.5 μm，纤芯内气孔半径d=0.8 μm，仿真时包层选用厚度为5.5 μm的完美匹配层，纤芯中孔间距Λ=2.8 μm，如图1(a)所示。在所有的气孔中填充乙醇，对改变结构及填充材料的光纤进行计算。中心波长为1 550 nm时光纤的模场分布如图1(b)所示。模场图表示在纤芯区域内基模光的分布状态，反映出光能的集中程度。由图1(b)可看出：光路被束缚在PCF的纤芯中传播，在去除纤芯左右各2个孔后，在x与y偏振模之间产生双折射。高双折射在Sagnac干涉传感中可以获得更高的灵敏度。

乙醇的折射率随温度的变化规律为[12]：

n=n0-a(T-T0)

(3)

式中，T为当前实验温度，T0=20 ℃。n为实验温度下的乙醇的折射率，n0为20 ℃时乙醇折射率，乙醇在摄氏度下的热光系数a=3.94×10-4/℃。石英光纤的热光系数a=6.45×10-6/℃，较乙醇的热光系数相差2个数量级，在一定温度变化范围内可以忽略温度变化对石英折射率的影响。纤芯外的包层折射率稍低于纤芯的折射率，可以阻止纤芯内信号向外泄露。

然后，对整个光纤截面进行网格分析，模拟填充乙醇后光纤的特性，使用有限元法计算PCF传输模式的传输常数，输出其模式有效折射率及模场等参数，x与y偏振模的有效折射率分别为nx=1.453 786 106，ny=1.453 719 214。

1.2 级联PCF的Sagnac干涉仪传感特性

图2 级联PCF的Sagnac干涉仪结构

Sagnac干涉仪可以让发生干涉的2个光场在同一段光纤内传输，是一种自平衡干涉仪，具有结构紧凑、稳定、制作相对容易等特点，可灵活构成各种器件。将新型PCF熔接入Sagnac干涉仪后的结构如图2所示。

基于Sagnac干涉仪的PCF温度传感模型的透射谱表示为[13]：

图3 双折射系数变化图

(4)

式中，L为敏感元件的PCF的长度，λ为工作波长，B为光纤双折射系数，B=|nx-ny|，nx，ny分别为PCF中x与y方向的偏振模对应的有效折射率。当2πBL/λ=2kπ(k为正整数)时，Ts为极小值0，此时对应的波长为凹点波长。

取有效长度为4.5 cm的PCF接入Sagnac环中，将这段PCF作为传感器的传感元件。在20～70 ℃范围内，其双折射系数变化如图3所示。

式(4)中B与λ均为关于温度T的变量，传感模型的灵敏度可表示为[14]：

(5)

实验可通过观察固定凹点随温度变化的偏移量来计算其温度灵敏度。

2 实验结果分析

图4 温度传感器模型

本文设计的PCF的温度传感器模型如图4所示，由宽带光源(BBS)、3 dB耦合器、偏振控制器(PC)、熔接入一段PCF的单模光纤Sagnac环和光谱分析仪(OSA)构成。宽带光源发出的光经过3 dB耦合器分光后，在Sagnac环形干涉仪中形成2束相向传输的光，其中1束先通过偏振控制器，经过偏振控制器后偏振态改变90°，另一束光直接进入Sagnac环，通过PCF后再经过偏振控制器，最终再次通过3 dB耦合器，这时，2束光都发生偏振态改变，进入耦合器时的偏振态也一致，此时产生干涉现象。通过光谱分析仪可以观察到传出的传输曲线，传输曲线随温度的变化而变化[8]。

由于测量温度超过乙醇沸点时，乙醇膨胀产生的应力会大大影响温度测量的灵敏度，故实验中控制乙醇沸点温度在78 ℃内。温度从室温20 ℃开始缓慢上升，每上升10 ℃，待温度稳定再记录数据，得到不同温度下的传输曲线如图5所示。

图5 不同温度下的PCF温度传感器的灵敏度变化曲线

图6 PCF长度为4.5 cm时， 凹点随温度变化的漂移曲线

图5所示曲线中，记录中心波长1 550.00 nm附近的凹点光谱随温度变化的情况，该凹点对应波长的值随温度变化的情况如图6所示。从图6可以看出：当温度从20 ℃升至70 ℃时，凹点从1 505.08 nm向长波长方向漂移，直到1 760.55 nm，变化量为255.47 nm。对这些值进行线性回归计算，其线性函数y=5.092 6x+1 459，且相关系数R2为0.997 3，相关程度很高。线性函数的斜率代表当前凹点下的温度灵敏度，为5.092 6 nm/℃。当光谱分析仪的分辨率为0.01 nm时，通过OSA捕捉到温度的变化量为0.01/5.092 6=0.001 96 ℃，即温度传感器的分辨率为0.001 96 ℃。

为了测试PCF的长度对温度传感器灵敏度的影响，依次选择PCF长度分别为4.2 cm，4.5 cm，4.8 cm，5.0 cm，5.3 cm，5.5 cm进行研究，得到Sagnac环中不同PCF的长度对应的凹点漂移情况如图7所示。图7表明：当接入PCF长度增大时，整个凹点漂移的区间向长波长方向移动。

图7 Sagnac环中，不同PCF长度对应的凹点波长随温度变化的漂移曲线

图8 光纤长度与灵敏度关系

当凹点向长波长漂移时，传感器的灵敏度也在增大，将各长度下同一个凹点对应的灵敏度值进行记录，结果如图8所示，可以看出：灵敏度与PCF的长度呈较强的线性关系。所以，在这段长度范围内，增加PCF的长度可以提高传感器的灵敏度，同时也说明传感器在一个较宽的波长范围内都有稳定的温度灵敏度系数。

3 结束语

本文通过研究设计了一种基于乙醇填充PCF的温度传感器。通过在普通四层六角形阵列结构的PCF中移除左右对称的4个气孔，在剩余气孔中完全填充乙醇，并将该结构的PCF熔接入Sagnac干涉仪，温度变化时，得到的光纤输出端的透射谱发生不同方向的漂移。本文设计的温度传感器灵敏度较高，结构简易，成本较低，在温度传感器的实际应用中有较好的前景。接下来将针对本文设计的传感器在其他温度下的适用性，以及在湿度等其他因素影响下的测量稳定性展开进一步研究。