CN101832793A - 一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件。传感器件包括起偏器，光子晶体光纤和检偏器。光子晶体光纤的纤芯有产生双折射的椭圆形空气孔和用于通入样品的样品孔。光经过起偏器后耦合到光子晶体光纤的两个正交偏振模式，经过在光子晶体光纤中的传输由于双折射产生相位差，并在检偏器的通光方向上发生干涉。当所通入样品的折射率发生变化时，两个正交偏振模式的干涉特性发生变化，进而使透过检偏器的光功率发生变化。

Description

一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件。

背景技术

在过去的十几年中，光子晶体光纤作为一种特殊的光纤波导结构已经引起了国际学术界的广泛关注。利用其在设计上的灵活性，光子晶体光纤可以容易地实现许多非常吸引人的特性，诸如无尽单模特性、高非线性、高双折射、平坦色散、超大负色散、大模场面积等等，从而广泛应用于光纤通信、光传感等领域。

光子晶体光纤可以按导光原理分为两种：全内反射型和光子带隙型光子晶体光纤。相比而言，有关全内反射型的光子晶体光纤的研究比光子带隙型的光子晶体光纤要更为广泛。全内反射型光子晶体光纤虽然从原理上说，是利用了高折射率的纤芯和低折射率的含有空气孔的包层的折射率差，形成类似于普通光纤的全内反射来导光，但是只要空气孔尺寸比较大，这类光子晶体光纤中同样也可以出现光子带隙效应。因此合理设计的全内反射型光子晶体光纤实际上完全可以让光子晶体光纤导光与全内反射导光共存一体，获得更好的光场限制。

干涉型光纤传感器基于传统的光学干涉原理，常用的有马赫-增德尔干涉仪、萨尼亚克光纤干涉仪、法布里-珀罗干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等结构。为了获得好的偏振干涉效应，干涉型光纤传感器需要使用单模光纤，而且最好使用高双折射的单模光纤。全内反射型光子晶体光纤包层的等效折射率和纤芯的等效折射率相差可以很大，同时其空气孔的形状、大小和位置也可以容易的改变，这就便于在纤芯或者包层中引入高双折射所需的非对称结构。经过特殊设计的光子晶体光纤可以提供的模式双折射通常可以达到10^-3数量级。

本发明提供了一种基于偏振干涉原理的光子晶体光纤传感器，由起偏器、光子晶体光纤和检偏器所组成，光子晶体光纤的双折射特性可以使光纤中的两正交偏振模式在通过光纤后产生相位差，两个正交模式在检偏器的通光方向上产生干涉。当通入光子晶体光纤纤芯样品孔中的待测样品发生变化时，两正交偏振模式的相位差发生变化，从而使其干涉特性发生改变，透过检偏器的光功率发生变化，从而实现了传感。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件。

本发明提供了一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，沿光线传输的方向依次包括起偏器，光子晶体光纤和检偏器。光子晶体光纤的横断面包括纤芯和包层，包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构的圆形空气孔的外围区域，所述圆形空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，其尺寸为波长量级，每相邻的三个圆形空气孔单元构成一个正三角形。纤芯由光纤基底材料与以光纤轴心为中心呈菱形对称的互不交叠的两个椭圆形空气孔和两个样品孔共同构成，菱形长对角线的方向与所述正三角形的一边平行或垂直，椭圆形空气孔的长轴与菱形长对角线平行或者垂直。所述椭圆形空气孔可以使光纤结构产生不对称性，从而使光子晶体光纤产生双折射，样品孔的作用为注入待测样品。由于椭圆形空气孔产生不对称性，两个正交偏振模式的模场在样品孔处的强度不同，于是样品的折射率变化对两个模式的影响不同，从而使两个正交模式的相位差发生改变。

所述光子晶体光纤传感器件中起偏器和检偏器的通光方向必须不与椭圆形空气孔的长轴平行或垂直，也就是说保证入射到光子晶体光纤上的光能够耦合到两个正交模式中。起偏器的通光方向优选与长轴呈45度方向，检偏器的通光方向优选与起偏器平行或垂直，这是为了使检测的信号强度最大。起偏器和检偏器是偏振片或者格兰棱镜。

所述光子晶体光纤传感器件中光子晶体光纤包层中圆形空气孔的直径与孔中心间距的比值不大于0.76。

所述光子晶体光纤传感器件中光子晶体光纤纤芯处的椭圆形空气孔的短轴直径不小于200纳米，不大于孔中心间距的0.3倍，长轴直径不大于包层圆形空气孔中心间距的0.5倍，两个椭圆形空气孔的中心间距大于长轴直径的1.3倍，小于包层圆形空气孔中心间距的0.7倍，这些尺寸的设置一方面是为了便于加工，一方面是为了保证空气孔的独立性，即没有两个空气孔是联通的，另外还要保证光纤中存在两个基模的正交模式。

所述光子晶体光纤传感器件中光子晶体光纤纤芯处的样品孔的外径不大于包层空气孔中心间距的0.5倍，两个样品孔的中心间距大于样品孔外径的1.3倍，小于包层圆形空气孔中心间距的0.7倍。这里对样品孔尺寸的设置也是为了保证加工方便的同时，防止样品孔和空气孔相联通。

所述光子晶体光纤传感器件中光子晶体光纤基底材料为石英玻璃。

本发明的基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件具有以下优点：

1.本发明所设计的基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件使用具有高双折射的光子晶体光纤，可以在很短的光子晶体光纤中实现两个正交偏振模式较大的相位差，因此本发明设计的传感器件具有尺寸小，便于集成等优点。

2.本发明所设计的基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件中的样品孔位于两个正交偏振模式场强大小不一致的区域，待测样品折射率的变化对其中一个偏振模式的有效折射率影响较大，对另一个偏振模式的影响较小，因此待测样品折射率的微弱变化都能够带来两个偏振模式相位差的较大变化，进而较大的影响干涉特性。因此本发明所设计的传感器件具有高灵敏度的优点。

附图说明

图1是基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件组成结构图。101为起偏器，102为光子晶体光纤，103为检偏器。

图2是光子晶体光纤横断面示意图。201为包层，202为包层中的圆形空气孔，203为纤芯的椭圆形空气孔，204为纤芯的圆形空气孔，Λ为包层空气孔中心间距，d为包层空气孔直径，Λ₁为纤芯的椭圆空气孔中心间距，a为椭圆形空气孔长轴，b为椭圆形空气孔短轴，Λ₂为纤芯的圆形空气孔中心间距，c为纤芯圆形空气孔直径。

图3是使用全矢量有限元方法计算得到光子晶体光纤中x方向偏振模式和y方向偏振模式的z方向玻印廷矢量S_z分布图。

图4是输出光功率随待测样品折射率变化示意图

具体实施方式

在本实施方式中，所设计的基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件由起偏器，光子晶体光纤和检偏器组成(如图1所示)。光子晶体光纤选用六角形结构，其横截面图如图2所示，包层的圆形空气孔的中心可组成三个以纤芯的圆心为中心的正六边形，纤芯的两个椭圆形空气孔的圆心位于x轴上，圆形样品孔的圆心位于y轴上。在本实施方式中，输入光波长设为1.5微米，因此设空气孔间距Λ＝2.2微米，包层空气孔直径d＝0.76A，椭圆空气孔中心间距Λ₁＝1.6微米，纤芯的圆形样品孔中心间距Λ₂＝2微米，椭圆形空气孔长轴与y轴平行，长轴直径a＝0.99微米，短轴直径b＝0.3微米，纤芯圆形空气孔直径c＝0.6微米。

在本实施方式中，光子晶体光纤的包层为石英，其在1.5微米波长处的折射率为1.44。包层空气孔和纤芯空气孔的折射率均为1。圆形样品孔中的待测样品设为水溶液，其折射率在1.33附近变化。

图3是使用全矢量有限元方法计算得到当样品孔中待测样品折射率为1.33时，光子晶体光纤中x方向偏振模式和y方向偏振模式的z方向玻印廷矢量S_z分布图。

使用全矢量有限元方法可以计算得到此时x方向偏振模式的有效折射率n_x＝1.350368，y向偏振模式的有效折射率n_y＝1.357466，模式双折射Δn＝0.0071，可计算得到两个模式的耦合长度L_c＝105.6636微米。

在本实施方式中，光由普通单模光纤经过起偏器后耦合进入光子晶体光纤，在光子晶体光纤中传输后，再经过检偏器耦合到普通单模光纤输出，不考虑光在各个器件之间的光程和光束发散，起偏器和检偏器的通光方向都与x轴成45度。设E_in(x，y)和H_in(x，y)为普通单模光纤基模在45度偏振方向的电场和磁场强度，E_x(x，y)，E_y(x，y)和H_x(x，y)，H_y(x，y)分别光子晶体光纤x，y偏振模式的电场和磁场强度。则光子晶体光纤中的电场和磁场强度可看为两个正交偏振模式场强的线性叠加。

$E(x,y,z)=a_x{E}_x(x,y)e^{{\mathrm{i\β}}_{x}z}+a_y{E}_y(x,y)e^{{\mathrm{i\β}}_{y}z}$

$H(x,y,z)=a_x{H}_x(x,y)e^{{\mathrm{i\β}}_{x}z}+a_y{H}_y(x,y)e^{{\mathrm{i\β}}_{y}z}$

其中β_x和β_y分别为x和y偏振模式的传输常数，a_x和a_y分别为由输入模式到光子晶体光纤中x和y偏振模式的耦合系数，表示为

$a_i=\frac{1}{2}\∫(E_{\mathrm{in}}\×{H_i}^{*})\·\hat{z}\mathrm{dA},(i=x,y)$

光经过长度为L的光子晶体光纤后，两个正交模式在检偏器的通光方向发生干涉，并耦合进入普通单模光纤，输出的电场、磁场和功率表达为

E_out(x，y)＝a_outE(x，y，L)

H_out(x，y)＝a_outH(x，y，L)

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}\∫(E_{\mathrm{out}}\×{H_{\mathrm{out}}}^{*})\·\hat{z}\mathrm{dA}$

其中a_out为由光子晶体光纤到普通单模光纤的耦合系数，由于起偏器和检偏器的偏振方向一致，此处的输出模式的磁场分布使用H_in(x，y)

$a_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}\∫(E\left(L\right)\×{H_{\mathrm{in}}}^{*})\·\hat{z}\mathrm{dA}$

当样品孔中的样品折射率从1.31到1.35变化时，分别采用全矢量有限元的方法计算光子晶体光纤两个正交偏振模式的模场分布，并根据上述公式计算得到输出光功率，此时设光子晶体光纤的长度为39.5L_c＝4.1737mm，得到如图4所示的归一化输出功率和折射率变化的关系曲线，从图中可以得出，当折射率变化0.04时，输出功率可以变化130％以上

最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，包括起偏器，光子晶体光纤和检偏器，光子晶体光纤的横断面包括纤芯和包层，包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构的圆形空气孔的外围区域，所述圆形空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，其尺寸为波长量级，每相邻的三个圆形空气孔的圆心构成一个正三角形，纤芯由光纤基底材料与以光纤轴心为中心呈菱形对称的互不交叠的两个椭圆形空气孔和两个圆形样品孔共同构成，菱形长对角线的方向与所述正三角形的一边平行或垂直，椭圆形空气孔的长轴与菱形长对角线平行或者垂直，所述椭圆形空气孔的作用为使光子晶体光纤产生双折射，圆形样品孔的作用为注入待测样品。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，其特征在于，所述起偏器和检偏器的通光方向必须不与椭圆形空气孔的长轴平行或垂直，起偏器的通光方向优选与长轴呈45度方向，检偏器的通光方向优选与起偏器平行或垂直，起偏器和检偏器是偏振片或者格兰棱镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，其特征在于，所述光子晶体光纤包层中圆形空气孔的直径与孔中心间距的比值不大于0.76。

4.根据权利要求1所述的一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，其特征在于，所述光子晶体光纤纤芯处的椭圆形空气孔的短轴直径不小于200纳米，不大于孔中心间距的0.3倍，长轴直径不大于包层圆形空气孔中心间距的0.5倍，两个椭圆形空气孔的中心间距大于长轴直径的1.3倍，小于包层圆形空气孔中心间距的0.7倍。

5.根据权利要求1所述的一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，其特征在于，所述光子晶体光纤纤芯处的圆形样品孔的直径不大于包层空气孔中心间距的0.5倍，两个圆形样品孔的中心间距大于样品孔直径的1.3倍，小于包层圆形空气孔中心间距的0.7倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于偏振干涉的光子晶体光纤传感器件，其特征在于，所述光子晶体光纤基底材料为石英玻璃。

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