七芯光子晶体光纤温度传感器

吴根柱，林春婷，卢俊城，马倩倩

（浙江师范大学物理与电子信息工程学院，浙江金华321004）

1 引 言

近年来，光纤传感器因其自身体积小、传感性能优良、抗电磁干扰能力强、成本低和传输信息容量大等优点，越来越多地应用于桥梁检测、国防安全、医疗健康等领域［1-4］。其中，干涉型光纤传感器具有灵敏度高，结构简单的优点，干涉型光纤传感器又可以分为马赫-曾德尔（Mach-Zehnder，MZ）传感器［5］、Michelson 传感器［6］、Sagnac 环传感器［7］和Fabry-Perot 传感器［8］。MZ 光纤传感器原理简单，通过特殊结构设计可以测量温度［9］、应力［10］、曲率［11］，pH 值［12］和磁场强度［13］等大部分物理量。目前，利用MZ 干涉型传感器测量温度已有不少研究。陈家乐［14］等人基于双锥结构的单模-多模-单模干涉型温度传感结构测量温度，利用锥区增加灵敏度，灵敏度为0.051 nm/℃。辛鹏程等人基于一种多模-细芯-多模结构来测量温度，灵敏度为-0.042 4 nm/°C［15］。仲怡美等人利用单模-球形-少模-单模结构进行温度测量，温度灵敏度为0.030 nm/℃［16］。

七芯光子晶体光纤（Seven-core Photonic Crystal Fiber，SCPCF）是在一根光子晶体里引入缺陷形成7 个纤芯，即在PCF 里减少若干个空气孔［17-18］。因此，SCPCF 的模场面积和通信容量均较大，在非线性光学［19］，高功率超连续谱输出［20］等方面具有重要研究价值。然而，对七芯光子晶体的传感耦合特性分析比较少，且都是进行的数值仿真。耿鹏程等人利用有限差分光束传播法（Finite Difference Beam Propagation Method，

FD-BPM）分析了七芯PCF 的耦合特性，发现其耦合长度随着传输波长的增加而减小，随着纤芯与包层材料折射率之差和纤芯之间距离的增大而增大［21］。贾丽笑等人提出了一种六重对称结构的七芯准光子晶体光纤，并利用有限元法研究发现该光纤具有较短的耦合长度，并且通过减小孔间距、占空比、纤芯折射率和纤芯直径，耦合长度会相应地变短［22］。Liu 等人利用有限元法将液晶填入SCPCF 中进行温度测量模拟实验，研究发现被液晶渗透纤芯的模式强度、有效模式面积、波导色散和限制损耗与温度有关［23］。这是首次报道SCPCF 作为温度传感器，但研究仅限于模拟分析。

为了深入研究七芯光子晶体光纤的温度传感特性，本文将理论与实验相结合，采用有限元法研究七芯光子晶体对温度的传感特性，并制作基于单模-七芯光子晶体-单模结构的MZ 温度传感器。该传感器稳定性好、线性度高，具有良好的应用价值，对七芯光子晶体的传感特性分析上提供了重要参考价值。

2 传感结构及原理

本文制作的MZ 温度传感器的结构如图1（a）所示，两端单模级联一个光子带隙型七芯光子晶体光纤而成。利用单模与光子晶体熔接过程中形成的塌陷区域作为激励区，在第一处塌陷区域时，一部分光从纤芯进入包层，光在光子晶体的纤芯与包层处共同传输；当进入第二处塌陷区域时，两种模式的光耦合进入单模光纤，从而形成MZ 干涉。其中所用的七芯光子晶体光纤为长盈通计量公司生产，空气孔为六边形排布，黑色部分代表空气孔，纤芯直径R=4.3 μm，孔径r=3.6 μm，孔间距d=4.3 μm，包层直径为125 μm。

图1 七芯光子晶体传感结构及七芯光子晶体端面Fig. 1 Schematic diagram of seven-core photonic crystal sensor and seven-core photonic crystal

发生干涉后光的强度为：

其中：I是干涉后的总光强度，Iclad是七芯光子晶体中包层的光强度，Icore是七芯光子晶体中纤芯的光强度，△φ是七芯光子晶体包层与纤芯模式的相位差，即：

其中：λ0为光源的中心波长，为SCPCF 中的纤芯有效折射率为SCPCF 中的包层有效折射率，L为七芯光子晶体的长度。

当满足相位条件时，即：

此时的波长为波谷波长：

当外界温度变化时，七芯光子晶体光纤的纤芯与包层的有效折射率差发生改变，从而导致干涉波长改变，通过谱线的偏移可以反测出温度的变化。

3 数值仿真及分析

利用有限元法对七芯光子晶体测温进行实验计算，将固体力学中热膨胀与波动光学模块结合进行模拟计算。其中，二氧化硅的热膨胀系数αSiO2=3.5×10-6/K，杨氏模量ESiO2=78 GPa，泊松比ν=0.17，密度ρSiO2=2 203 kg/m3，空气密度ρair=1.29 kg/m3，空气的杨氏模量、热膨胀系数和泊松比均为零。图2 为七芯光子晶体光纤的同位相超模（纤芯基模），此时七芯光子晶体的七个超模的相位相同。由于倏逝场的强耦合作用，同相位超模变成了主导超模，且在远场具有很好的高斯分布，从图2 可以看出各纤芯能量均匀分布。改变温度，测得七芯光子晶体基模与高阶模有效折射率之间的关系，如图3 所示，再通过式（4）计算出波谷波长与温度的比值，即理论灵敏度，为-47.14 pm/°C。仿真实验表明，七芯光子晶体对温度具有良好的传感特性，且随着温度的变化，七芯光子晶体透射谱中波谷波长呈线性漂移。

图2 七芯光子晶体的同位相超模（纤芯基模）Fig. 2 In-phase supermode of seven-core photonic crystal（fiber core fundamental mode）

图3 七芯光子晶体基模与高阶模折射率差与温度的关系Fig. 3 Relationship of refractive index difference between fundamental mode and higher-order mode of seven-core photonic crystal with temperature

图4 为纤芯直径R=4.3 μm，孔径r=3.6 μm，孔间距d=4.3 μm，包层直径为125 μm的单芯光子晶体基模与高阶模折射率差与温度的关系。通过式（4）算出单芯光子晶体在温度传感上的灵敏度为-51.99 pm/°C，与SCPCF 的灵敏度接近。然而，SCPCF 的纤芯多，有着极高的设计灵活性、较少的热致光束畸变和较大的有效模式面积，开发出适用于各种应用的新型光学器件的潜力更大［24］。而且由于其模场面积大，损耗低，输出光波质量高［25］，其温度传感性能优于单芯PCF。

图4 单芯光子晶体基模与高阶模折射率差与温度的关系Fig. 4 Relationship of refractive index difference between fundamental mode and higher-order mode of single-core photonic crystal with temperature

七芯PCF 的长度对传感器的灵敏度也有着一定的影响，若长度过长会增大损耗，导致灵敏度下降；长度太短，单模与七芯光子晶体的耦合效果不佳，导致灵敏度降低。仿真发现，七芯PCF 长度为2 cm 时传感器的灵敏度最好。

4 实验与讨论

首先，将单模与七芯光子晶体的涂覆层剥离，然后使用切割刀将两种光纤切平整，切割角控制在2°之内，使用熔接机（FSM-100P）对单模-七芯光子晶体-单模依次进行清洁放电熔接，设置放电强度为标准［235］bit，放电时间为3 000 ms，清洁放电功率为［235］bit，清洁放电时间为150 ms。实验使用的SCPCF 长2.0 cm。 将SMF-SCPCF-SMF 结构连接到宽带光源（Amplified Spontaneous Emission，ASE），其中心波长为1 550 nm 和光谱分析仪（AQ6375B），打开ASE 源与光谱仪，并将光谱仪的扫描波长设置为1 520～1 610 nm。

图5 七芯光子晶体光纤温度传感装置示意图Fig. 5 Schematic diagram of seven-core photonic crystal fiber temperature sensing device

将传感结构固定在玻璃板上放入盛有热水的烧杯中，并连接宽带光源与光谱仪，构成温度测量装置，如图5 所示。温度从80 °C 降温到30 °C，同时观察谱线的漂移，每隔10° C 记录一组数据，一共记录了6 组数据。图6 是在1 520～1 610 nm 内温度的干涉谱线。选1 597 nm 波谷波长附近进行研究，将该处谱线放大，如图7 所示，从图中可以看出，随着温度的逐渐升高，干涉谱线逐渐往左漂移。读取对应温度的波谷波长，进行数据处理，图8 为数据拟合图，测得温度灵敏度为-48.86 pm/°C，线性拟合度高达95.15%。

图6 不同温度的干涉谱线Fig. 6 Interference spectra of different temperatures

与理论计算得出的温度灵敏度相比，实验测出的灵敏度偏大一点，考虑到实验时外界环境温度的变化导致七芯光子晶体光纤出现热胀冷缩，光纤具有微小的形变，最终实验测得的温度灵敏度的绝对值偏大，为1.72 pm/°C。

图7 波谷波长1 597 nm 附近不同温度干涉谱线的局部放大图Fig. 7 Partially enlarged view of interference lines at different temperatures around 1 597 nm

图8 波长与温度的关系图Fig. 8 Relationship between wavelength and temperature

5 结 论

本文将理论与实验相结合研究了七芯光子晶体温度传感器。首先利用有限元法研究七芯光子晶体的温度传感特性，并计算出温度传感下的灵敏度为-47.14 pm/°C。再基于单模-七芯光子晶体-单模结构实行温度检测，测得温度灵敏度为-48.86 pm/°C，线性拟合度高达95%。实验与理论研究表明七芯光子晶体具有良好的温度传感特性。七芯光子晶体传感器具有体积小巧、线性度好等优点，在温度测量方面具有潜在的应用价值。