光纤传感器折射率研究

吴坚

摘 要：研究了传感器输出光功率随甘油溶液折射率的变化，并对理论计算结果进行了验证。该传感器具有结构简单、成本低、全光纤传感系统等特点，可用于有毒、有害、易燃易爆等特殊环境下材料折射率的高精度测量。

关键词：光纤传感器;折射率;温度补偿

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0 引言

光纤传感器是保持数字优势的传统电传感器。近年来，生化传感应用光纤传感器的需求量很大。光纤的折射率（RI）传感器已经吸引了很多的关注，因为它可以用在许多领域包括环境监测、生物医学等。光纤布拉格光栅（FBG）和长周期的光栅（LPGS）已被用于在RI光纤传感器。基于RI传感器的光栅是经常蚀刻或抛光的增益制导模式的倏逝场进入被测材料，与光纤光栅型RI传感器相比，基于LPG传感器更适用他们的内在耦合机制。一种基于法布里-佩罗特RI传感器（F-P）干涉仪写道，这种传感结构，利用对干涉条纹测量日最大对比的变化。法朗兹提出了一种基于高双折射仪蚀刻的D型光纤环镜。RI测量倏逝场增加了使用蚀刻的D型结构纤维基于光子晶体光纤的折射。然而，这些折射仪的测量原理是利用波长位移来检测外部RI变化，这是面对温度交叉敏感的一个大问题。因此，温度补偿是必要的。同时，所获得的灵敏度在RI传感结构的报告不够高。因此，光纤折射仪可以在没有额外的温度补偿部分需要实现高灵敏度的实际中应用是可取的。

1 传感器的制造和操作原则

传感器头示意图如图1所示。放大的自发辐射（ASE）1 450 nm～1 650 nm波长范围源连接到该FLM的输入，和输出光谱与光谱分析仪（OSA的检测，aq6370，爱德，日本）的OSA是最高分辨率20 PM。在FLM拼接而成（使用一个商用光纤熔接机（藤仓fsm-40s）一段高双折射光子晶体光纤（lma-10）到223 dB耦合器的武器。长度在5 cm和它的两端被倒塌的融合拼接两identicalsingle模式纤维之间的高双折射光纤（SMF-28）是在耦合器的武器。图1的插图显示的高双折射光子晶体光纤的截面图，其中有一个坚实的核心μ直径11 m包围四层与125 μM.外直径的空气。

拼接的光纤到光纤进行了使用商用光纤熔接机（Fujikurafsm-40s）。强烈的电弧放电引起的局部加热的PCF，导致在熔覆区的加热段空气孔塌陷PCF。可以从预制拼接点的照片看到，那里的PCF的空气孔结构塌陷的剪接点附近，在很短的长度的～140 μM. PCF不再是单一模式，由于纤维无芯包结构更在塌陷区的区域，当引入光纤基模的传播到光子晶体光纤的折叠区域，其模场直径将被拓宽，由于衍射，允许核心激发和在完整的光子晶体光纤截面包层模式。然后，兴奋的纤芯和包层模式进一步衍射和重新连接回了引出SMF在第二拼接点的核心模式。因此，它就像一种MZI的工作从ASE输入光同样分裂成两个计数器的3 dB耦合器传输光。偏振控制器（PC）是用来调节两个光的偏振态。介绍了反向传播的光束引起的高双折射光子晶体光纤的双折射特性插入的相对相位差。所以当他们干扰产生的重组在耦合器。

相位差是光源的中心波长，是高双折射光子晶体光纤的长度。高双折射光子晶体光纤的双折射率，是快速和慢速轴的有效折射率，谐振浸波长满足方程，其中k是一个随机整数。

2 实验和讨论

测试基于高双折射光子晶体光纤传感器液体里的FLM，熔接的高双折射光子晶体光纤的崩溃是沉浸在与不同比例的甘油液结合样本。通过与标称精度为0.000 1个阿贝折射仪校准液样本，可以得到其方程式。

波长移放在液体变折射率光纤，是由相应的光子晶体光纤快慢轴的有效折射率变化引起的折射指数的变化。从方程，可以看出，是成正比的。外部RI的变化可以通过测量干涉光谱的波长移位检测。

作为高双折射PCF沉浸在液体在室温范围从1.41～1.43 RI值的变化（25℃），为FLM的干扰频谱的变化，可以看出，谐振波长的干涉条纹倾角2从1 556.11 nm到1 549.66 nm。谐振浸波长偏移的FLM干涉谱作为一个功能的RI变化。它能很好的满足与理论推导。

如预期的那样，对FLM的波长偏移与外部的RI变化的线性关系，由于一个组合干涉结构的使用，实现了306.60.2 nm/riu灵敏度高，这是比以前的报告高5倍。均方根偏差值（SD）的线性拟合和测量的数据之间的为0.2，这相当于校准测量的不确定性用阿贝折射仪，所提出的RI传感器的分辨率是6.510-5 RIU由OSA分辨率的限制，大范围的波长偏移会导致边缘重叠。

在实际应用中，该传感器的测量范圍可以通过改变光子晶体光纤的双折射率调高双折射。

选择了相应的λ= 1 537 nm干扰模式，1 552 nm和1 575 nm作为实验参数。当周围温度从10℃增加到100℃，最大温度误差0.52 nm，0.49 nm和0.48 nmat 1 537 nm的波长，1 552 nm和1 575 nm，分别在6.45 nm波长变化范围内，温度变化引起的测量误差很小，可在实际应用中忽略掉。

本文描述了一个传感头由光纤环镜上刻有高双折射光子晶体光纤（高双折射光子晶体光纤），低温光和热膨胀系数的高双折射光子晶体光纤传感头在的设计中的温度不敏感，高灵敏度（306.6±0.2）纳米/ RIU（折射率单位），分辨率为6.5×10-5 RIU已经提出的液体折射率传感器实现的。与其它折射率传感器相比，该传感器可以结合使用干涉结构获得高灵敏度。由于低温光和热膨胀系数的高双折射光子晶体光纤传感头在设计中的温度不敏感，因此没有额外的温度补偿部分。

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