基于高折射率溫度系數(shù)液體的折射率型光子晶體光纖溫度傳感器

基于高折射率溫度系數(shù)液體的折射率型光子晶體光纖溫度傳感器

1光子晶體光纖傳感特性光緒年間（pcf）是一種帶有缺陷的二維光緒年間。由于它在傳統(tǒng)光纖中有許多難以實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，引起了人們的注意，成為光學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)光的傳導(dǎo)機(jī)制,PCF可分為兩類:一類是與傳統(tǒng)光纖類似,利用纖芯折射率比包層等效折射率略高來形成全內(nèi)反射,被稱為全內(nèi)反射型光子晶體光纖(TIR-PCF);另一類是利用光子帶隙效應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)光的稱為光子帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)。與傳統(tǒng)光纖相比,光子晶體光纖中可增加傳輸光與氣體或液體的作用長度,并可根據(jù)需要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行自由設(shè)計(jì),在傳感領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)潛力。隨著光子晶體光纖制造技術(shù)的日趨成熟,以及人們對(duì)其特性逐漸深入的了解,光子晶體光纖的傳感特性已引起科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注,并已展開了一些初步的研究工作。相對(duì)傳統(tǒng)光纖而言,光子晶體光纖對(duì)溫度不敏感。在光子晶體光纖中填充高折射率溫度系數(shù)的液體材料后,通過溫度調(diào)節(jié)來改變填充材料的折射率,從而改變光纖包層的等效折射率,影響和改變光的傳輸特性,構(gòu)成折射率型光纖溫度傳感器。2001年,Eggleton等首次進(jìn)行液體填充PCF的實(shí)驗(yàn)研究。他們將一種丙烯酸鹽的單體混合物填充到纖芯寫有長周期光柵的全反型PCF中,制成了可調(diào)光柵濾波器。目前,關(guān)于在PCF空氣孔中填充材料的一些實(shí)驗(yàn)報(bào)道,如填充液晶的電控光開關(guān),填充熱敏材料通過溫度控制的可調(diào)節(jié)濾波器等都是在PCF空氣孔中填充高折射率材料,使其成為PBG-PCF,通過溫度調(diào)節(jié)改變帶隙寬度和帶隙間距來實(shí)現(xiàn)溫度傳感。本文采用在空氣孔中填充液體材料(乙醇),其折射率小于石英光纖的折射率,填充后仍屬于全內(nèi)反射型導(dǎo)光機(jī)制。利用全矢量有限元法對(duì)六角形結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖填充前后的溫度特性進(jìn)行模擬和分析,主要研究光子晶體光纖在填充高溫度系數(shù)的折射率敏感介質(zhì)后,溫度對(duì)其有效折射率、模場(chǎng)和損耗等的影響。2光子晶體光纖傳輸特性分析對(duì)于光子晶體光纖中的傳輸特性分析,Maxwell方程仍然適用。從Maxwell方程出發(fā)可得到光子晶體光纖所遵循的本征值方程:其中,H=H(x,y)exp(-jβz)是磁場(chǎng)強(qiáng)度,E=yE(x,y)exp(-jβz)是電場(chǎng)強(qiáng)度,εr和μr分別是介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,c為真空中光速,ω為光波角頻率,β為模式傳輸常數(shù)。利用全矢量有限元方法計(jì)算光子晶體光纖光傳輸特性時(shí),建立理論模型,采用正交混合波模型,設(shè)定入射波長和材料參數(shù)及完美匹配層邊界條件,計(jì)算出PCF的模場(chǎng)分布及基模有效折射率。采用三層空氣孔的六角形排列結(jié)構(gòu)來建立模型,構(gòu)建TIR-PCF幾何結(jié)構(gòu)模型的截面如圖1所示。基質(zhì)是純石英光纖材料,光纖空氣孔的半徑為d,孔間距為A=2.3μm,設(shè)定占空比d/A=0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)PCF傳輸特性的影響。填充材料的折射率溫度系數(shù)定義為:其中T為工作溫度,T0=20℃。n和n0分別是溫度為T和T0時(shí)的折射率。乙醇的溫度系數(shù)α=3.94×10-4/K,石英光纖的溫度系數(shù)為α=8.6×10-6/K。因?yàn)槭⒐饫w的溫度系數(shù)比填充材料低兩個(gè)數(shù)量級(jí),在分析中,近似認(rèn)為石英光纖的折射率不隨溫度變化。當(dāng)波長為589.3nm,溫度T0=20℃時(shí),取乙醇的折射率n0=1.36048,在模擬過程中,考慮石英介質(zhì)的材料色散,其不同波長下的折射率由Sellmeier方程給出。由于乙醇的折射率低于石英光纖基質(zhì)的折射率,所以PCF填充乙醇前后仍然屬于全內(nèi)反射型導(dǎo)光機(jī)制。3填充乙醇對(duì)模場(chǎng)的影響圖2是波長為1550nm,d/Λ=0.5時(shí),PCF在填充前后的模場(chǎng)分布圖。其中,圖2(a)和圖2(b)為光子晶體光纖在填充前,溫度為20℃時(shí)的模場(chǎng)分布圖;圖2(c)和圖2(d)為光子晶體光纖在填充乙醇后,在溫度為-20℃時(shí)的模場(chǎng)分布圖。圖2(e)和圖2(f)為光子晶體光纖在填充乙醇后,在溫度為70℃時(shí)的模場(chǎng)分布圖。從圖2可以看出,填充前后,PCF的模場(chǎng)分布改變明顯;PCF填充乙醇后,模場(chǎng)分布隨著溫度的變化更明顯,溫度對(duì)PCF的傳輸特性影響很大,也即PCF的傳輸特性對(duì)溫度是敏感的,這是構(gòu)成折射率型光纖溫度傳感器的基礎(chǔ)。從圖2可以看出,因?yàn)樘畛淝翱諝饪椎恼凵渎蕁=1,當(dāng)填充乙醇后,折射率增大,也即包層模的等效折射率增大,使得限制光的能力減弱,所以填充乙醇后模場(chǎng)分布面積增大。根據(jù)(3)式,乙醇的折射率隨著溫度升高而減小,所以填充乙醇的PCF在-20℃的模場(chǎng)分布面積要大于70℃的模場(chǎng)分布面積。4不同長波單次給藥后的模式有效轉(zhuǎn)化率隨比自變量的變化,傳統(tǒng)pcf填充改變光纖結(jié)構(gòu)參數(shù),占空比分別為0.3,0.4,0.5,0.6和0.7,保持孔間距A=2.3μm,分析填充前后有效折射率隨占空比的變化情況,以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同波長對(duì)PCF基模的模式有效折射率的影響。圖3和圖4分別為不同占空比的光子晶體光纖在填充前和填充后的有效折射率隨波長的變化曲線;從圖中可以看出,填充前后有效折射率隨著傳輸波長的增加而降低,這是因?yàn)橛捎陂L波光場(chǎng)滲透到空氣孔包層中的能力比短波強(qiáng),導(dǎo)致有效折射率隨著波長的增加而減小;同時(shí)在短波處,由于模場(chǎng)集中限制于光纖纖芯部分,模式有效折射率受空氣孔分布以及直徑大小影響較小,逐漸趨于純石英基質(zhì)的折射率。而在長波方向,由于模場(chǎng)滲透到分布有空氣孔的包層中,空氣孔分布及直徑對(duì)模式有效折射率的影響將增大。空氣填充系數(shù)越高,折射率隨波長的變化越快。在保持孔間距一致的情況下,其模式有效折射率隨著占空比d/Λ增大而減小。圖5是在相同的占空比和溫度下,PCF填充乙醇前后的有效折射率的對(duì)比,由于乙醇的折射率比空氣的折射率大,所以在同一波長下,填充后的模式有效折射率要比填充前的大。當(dāng)空氣孔中填入折射率隨溫度改變介質(zhì)時(shí),PCF的傳輸特性會(huì)隨著溫度而改變,圖6是在波長為1500nm時(shí),PCF填充乙醇后,隨著溫度的改變,其模式有效折射率也會(huì)改變。從圖中可以看出,隨著溫度的升高,neff減小,基本呈線性關(guān)系。而且相同的孔間距,占空比d/Λ越大,neff受溫度的影響越大,這說明占空比大的PCF填充后對(duì)溫度更敏感。因此當(dāng)入射波長越長時(shí),模場(chǎng)分布面積越大,有效折射率受溫度的影響變化越大,其溫度效應(yīng)更加靈敏。5不同波長下pcf限制損耗隨溫度的變化情況光纖的相對(duì)限制損耗可通過計(jì)算有效折射率的虛部得到,表示為L為光纖長度,neff=βλ/(2π),β為傳播常數(shù)。圖7是在相同的孔間距、不同占空比的光子晶體光纖填充前后的限制損耗隨著傳輸波長的變化關(guān)系。由圖7可知,隨著波長的增大,限制損耗增大,由于波長越長,其向包層的滲透能力越強(qiáng),使PCF的限制損耗增加。隨著d/Λ增大,限制損耗減小,由于d/Λ增大時(shí),PCF纖芯與包層有效折射率差增大,對(duì)光的限制能力增強(qiáng),模式限制損耗因此隨之減小。對(duì)于PCF填充前,當(dāng)波長為1500nm,d/Λ從0.3增大到0.7時(shí),限制損耗從1.2×103dB/m減小到5.5×10-5dB/m。由于填充后,PCF模場(chǎng)分布面積增大,限制損耗受空氣孔分布以及直徑大小的影響較大。圖8是波長為1500nm時(shí)不同占空比的PCF填充乙醇后限制損耗隨溫度的變化曲線?？煽闯?當(dāng)PCF填充乙醇后,限制損耗隨溫度增大而減小。這是因?yàn)樘畛浣橘|(zhì)折射率和纖芯折射率差越大,PCF束縛光的能力就越大,使模式損耗變小。當(dāng)d/Λ=0.3,溫度從-20℃升至70℃時(shí),限制損耗從1.9×104dB/m減小到1.3×104dB/m,減小幅度不到一個(gè)數(shù)量級(jí);而當(dāng)d/Λ=0.7,溫度從-20℃升至70℃時(shí),限制損耗從3.5×102dB/m減小到22dB/m,減小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。所以相同的孔間距,占空比越大,限制損耗受溫度的影響越大,也說明占空比大的PCF填充后對(duì)溫度更敏感。圖9給出了波長為1500nm和800nm,占空比為0.7時(shí)PCF填充乙醇后限制損耗隨溫度的變化曲線。從圖中可明顯看出,當(dāng)波長為800nm時(shí),PCF限制損耗隨溫度變化很小,但當(dāng)波長為1500nm時(shí),限制損耗隨著溫度變化明顯減小。當(dāng)入射波長越長時(shí),模場(chǎng)分布向包層滲透越大,限制損耗受溫度的影響變化越大,其溫度效應(yīng)也更加靈敏,這為后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用大占空比的PCF進(jìn)行填充以及選擇長波長的入射光作為光源用來進(jìn)行溫度傳感提供了理論依據(jù)。6不同結(jié)構(gòu)光子晶體光纖模型采用全矢量有限元法對(duì)六角形結(jié)構(gòu)排列的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的溫度特性進(jìn)行了分析。在空氣孔中填充液體乙醇,其折射率小于石英光纖的折射率,填充后仍然屬于折射率引導(dǎo)型導(dǎo)