CN102495022B - 一种双芯光子晶体光纤折射率传感器及传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双芯光子晶体光纤折射率传感器及传感系统，该传感器包括包层、纤芯（5）和微结构纤芯（6）；所述纤芯（5）中设有一个小于所述空气孔（2）直径的小空气孔（7）或折射率低于所述基质材料（1）的介质棒（4）；所述微结构纤芯（6）是7个填充孔（3）所围的区域。该传感系统由宽带光源、光耦合系统、上述光子晶体光纤、偏振控制器、光谱检测系统组成。该传感器及传感系统易于进行待测样品的注入，实现了高灵敏度的折射率检测。

Description

一种双芯光子晶体光纤折射率传感器及传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种用于生物、医学等领域的双芯光子晶体光纤折射率传感及传感系统。

背景技术

在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，受到越来越多的研究者们青睐。当前，光纤传感器的发展分为两大方向，原理性研究和应用开发。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性技术仍处于相当重要的位置。众所周知，物质的折射率是反映物质内部信息的一个基本物理参量。同时，折射率同其他的一些参量如温度、浓度、密度、色散、应力等密切相关。在生产实践过程中可以通过测定样品内折射率的微小变化，进而定性分析或定量确定该样品内的一系列特征。因此，这种能对样品折射率微小变化进行测量的传感装置具有重要的应用价值。特别是那些具有前所未有全新功能的光纤传感器在竞争中占有明显优势，微结构光纤传感器就是一个最好的例证。当前这种微结构光纤传感器的研究方向主要为压力传感器、温度传感器和折射率传感器等。

双芯光纤作为光纤结构的一个重要组成部分而在传感方面有着广泛的应用，纤芯之间的强耦合特性为实现新的折射率传感装置提供了便利。如对双芯光子晶体光纤的包层空气孔填充待测物质后，纤芯之间的耦合特性与待测物质便具有很强的相互作用，因此通过输出端能量的变化来实现待测物质折射率的检测[Wu et al. “Ultrasensitive photonic crystal fiber refractive index sensor (超高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器)”，Opt. Lett., 2010, 35(6): 856]。然而这种结构能够实现高灵敏度检测的前提是需要具有高分辨率的光谱仪能够测量出输出能量的微小变化，因而大大较低了应用价值。此外，基于纤芯之间的谐振耦合具有波长选择性的特点也有人将其应用到了物质折射率传感方面，通过纤芯间的模式相位匹配发生谐振耦合，所产生的耦合长度对待测物质折射率的变化非常灵敏[Town et al.,“Microstructured optical fiber refractive index sensor (微结构光纤折射率传感器)”，Opt. Lett., 2009, 34(3): 322]。这种方法结构简单、灵敏度高，探测极限小等优点，然而其仅限于比石英材料折射率高的物质检测。为获得更高灵敏度的折射率传感，要求待测液体与光纤中传输的光之间具有更大的重叠区域。然而，在生物、医学等领域内所研究的物质大部分为水溶液，其折射率一般在1.33-1.35。很显然，光与这种低折射率物质相互作用后传输模式的能量会被减弱或泄露。近期，我们[Sun et al., “Microstructured-core photonic-crystal fiber for ultra-sensitive refractive index sensing (超高灵敏度微结构芯光子晶体光纤传感器)”，Opt. Express, 2011, 19(5): 4091]提出一种基于双芯耦合谐振原理的光纤折射率传感装置，通过引入微结构芯的方法实现了对待测样品折射率为1.33附近物质的高灵敏度传感（S=8500nm/refractive index unit），并且在折射率为1.33时其检测极限低于2.02×10^-6RIU。尽管这种折射率传感结构能实现较高的灵敏度，但其仅适用于工作在尺寸比较小（孔周期Λ较小）的结构中，特别是微结构芯中的空气孔直径仅为1微米左右，因而通过现有的选择性填充技术很难将待测样品注入到空气孔中。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种光子晶体光纤折射率传感，该传感器通过现有的选择性填充技术容易将待测样品注入到填充孔中，其灵敏度高、检测极限低。

本发明的另一目的是提供一种利用上述传感器的光子晶体光纤折射率传感系统，易于进行待测样品的注入，实现了高灵敏度的折射率检测。

本发明的技术方案：一种光子晶体光纤折射率传感器，包括包层、纤芯和微结构纤芯；所述包层由基质材料和孔周期Λ相同多个空气孔所组成，所述纤芯和微结构纤芯分别被两层及以上所述空气孔包围；所述纤芯有一个方向被6层及以上空气孔包围；所述纤芯中设有一个小于所述空气孔直径的小空气孔或折射率低于所述基质材料的介质棒；所述微结构纤芯是7个填充孔所围的区域，其与所述纤芯间隔一个空气孔；所述填充孔的排布为6个中心连线为正六边形，另一个居于所述正六边形中央；所述填充孔的孔中心之间的间距不大于两倍的孔周期Λ。

进一步，所述空气孔的直径d_b与孔周期Λ的关系为：0.46Λ≤d_b≤0.52Λ。

进一步，所述小空气孔的直径d_a与孔周期Λ的关系为：0.25Λ≤d_a≤0.35Λ。

进一步，所述介质棒的折射率比基质材料的折射率低0.001~0.01。

进一步，所述介质棒的直径d_D与孔周期Λ的关系为：0.9Λ≤d_D≤1.5Λ。

进一步，所述光子晶体光纤折射率传感的长度为一个耦合长度，其中耦合长度是指纤芯5和微结构纤芯6间的模式有效折射率在某一波长处相位匹配，能量发生完全耦合，能量从纤芯5完全转移到微结构纤芯6所需的长度。

一种光子晶体光纤折射率传感系统，包括上述光子晶体光纤折射率传感、宽带光源、光耦合系统、偏振控制器、光谱检测系统；所述光子晶体光纤折射率传感一端经光耦合系统与宽带光源连接，另一端经偏振控制器后依次与光耦合系统和光谱检测系统连接；所述光耦合系统将宽带光源的光线耦合到所述光子晶体光纤折射率传感的纤芯。

本发明的有益效果是：光子晶体光纤折射率传感器具有灵敏度高、检测极限低及所检测物质折射率范围宽等特点，能有效检测折射率处于基质材料折射率和1.2之间的液体物质的折射率。且由于该结构实现了填充孔的大尺寸，也便于待测液体注入。光子晶体光纤折射率传感系统，利用一个耦合长度的上述传感器，实现了能量发生完全耦合，具有极高的灵敏度和广泛的利用范围。

附图说明

图1为实施例一的横截面示意图；

图2为实施例二的横截面示意图；

图3为本发明的传感系统的组成结构图；

图4为实施例一的纤芯和微结构纤芯的模式有效折射率曲线；

图5为实施例一的纤芯的频谱曲线；

图6为实施例一的谐振波长与耦合长度随着待测样品折射率的变化曲线；

图7为实施例一的灵敏度和检测极限随着待测样品折射率的变化曲线；

图8为实施例二纤芯和微结构纤芯的模式有效折射率曲线；

图9为实施例二中纤芯的频谱曲线；

图10为实施例二的谐振波长与耦合长度随着待测样品折射率的变化曲线；

图11为实施例二的灵敏度和检测极限随着待测样品折射率的变化曲线。

具体实施方式

一种基于光子晶体光纤的折射率传感器，如图1或图2所示，其中光子晶体光纤的包层由基质材料1和排布在正三角形结构网格结点上的空气孔2所组成，纤芯5由一个小于包层空气孔2直径的小空气孔7所组成，或由一个掺杂有低折射率材料的介质棒4所组成。纤芯5至少有一个方向被6层空气孔2所包围，其它任意方向至少被2层以上空气孔2所包围。微结构纤芯6由与纤芯5间隔一个空气孔2的7个填充孔3包围而成，7个填充孔3的孔中心之间的最大间距不超过两倍的孔周期，且至少被2层空气孔2所包围，其中6个填充孔3的中心连续为正六边形，另一个填充孔3居于正六边形中心。

填充孔3的直径较大有利于对其实现待测样品的选择性填充，但空气孔2的直径d_b过大却不利于两纤芯模式场的相互耦合，因此选择微结构纤芯6的填充孔3和空气孔2的直径取为相同，且综合考虑空气孔2的直径和孔周期Λ的关系为：0.46Λ≤d_b≤0.52Λ。

小空气孔7直径d_a过小会使得纤芯5中出现高阶模，影响最终纤芯的传输频谱曲线，同时小空气孔7直径过大导致该纤芯的模式有效折射率过低，不易与微结构纤芯6的模式有效折射率匹配，其具体范围值应为0.25Λ≤d_a≤0.35Λ。

纤芯5中掺杂的介质棒4与背景材料的浓度差的绝对值不能低于0.001，过小的浓度差导致会使得纤芯5中的模式有效折射率来得比较高，不易与微结构纤芯6的模式有效折射率匹配。且一般所用的介质材料的掺杂浓度与背景材料差不高于0.01。

结合介质棒4与背景材料浓度差值范围，以及纤芯5中模式有效折射率变化关系，介质棒4的直径d_D与孔周期Λ的关系应为：0.9Λ≤d_D≤1.5Λ。

提出的这种结构允许测得的样品折射率n_a最低值不应该低于1.2，因为折射率过低会导致微结构纤芯6的模式不能被很好束缚，使得模式泄露比较严重。同时待测样品的折射率上限不应高于背景材料的折射率，因此其与基质材料折射率n_b的关系为：1.2<n_a<n_b。

以上所述的双芯结构能实现折射率传感的前提是两纤芯间的模式有效折射率在某一波长处相位匹配。当相位匹配时，能量发生完全耦合，定义能量从纤芯完全转移到微结构纤芯所需的一个周期即为一个耦合长度。将光纤的长度取为一个耦合长度时，从一侧纤芯输入一束光，经过一个周期的光纤长度后，检测另一侧纤芯中的能量传输谱线，对应相位匹配的波长处会出现能量极小值。可以看到，当待测样品折射率增加或减小会提升或降低微结构纤芯6的模式有效折射率，使得其与纤芯5模式相位匹配的波长发生移动，也即传输谱线上能量极小值发生移动，因此可以通过测得这种移动幅度的大小反过来检测物质折射率的变化情况。由此将灵敏度定义为S=∂λ_r/∂n_a，其中λ_r为相位匹配波长，n_a为待测样品折射率。此外，定义检测极限为所能检测到待测物质折射率的最小变化范围，其表达式为δnL≈3/4.5×λ_FWHM/(S×SNR^0.25)，其中λ_FWHM为波谱半宽度，SNR是信噪比单位。

如图3所示，传感系统的具体组成为：宽带光源、光耦合系统、上述光子晶体光纤、偏振控制器以及光谱检测系统。其具体过程为：将上述的光子晶体光纤两端分别与宽带光源和光谱检测系统连接，其中，一束宽带光源经耦合系统从光子晶体光纤传感器的其中一侧纤芯输入，经过光子晶体光纤传感器后连接偏振控制器来去除其中一个偏振方向上的偏振光，再通过耦合系统接受到光子晶体光纤另一侧纤芯的输出能量，最终输入到光谱检测系统，检测其频谱曲线。

当纤芯5为普通光子晶体光纤的实芯（以下简称实芯）而微结构纤芯6仍为以上所述结构时，实芯与微结构纤芯6中的模式有效折射率差会随着归一化频率的增加而变大，于是两纤芯的模式在很宽的归一化频率范围内均没有相位匹配点，因而最终不能实现折射率传感。尽管随着归一化频率的进一步增加实芯与微结构纤芯6中的模式有效折射率差会有所较小（这是由于当归一化频率一直增大时纤芯的模式有效折射率都趋于纤芯的等效折射率），但是随着归一化频率逐渐增大会产生多个高阶模，影响器件的性能，应予避免。事实上，当纤芯5为实芯时，其纤芯的模式折射率一直都比微结构纤芯6的模式折射率来得高。针对这种情况首先想到的是通过改变纤芯结构使得实芯的模式折射率有所下降，这样实芯就能够与微结构纤芯6的模式存在相位匹配点。纤芯5中介质棒4或小空气孔7的引入起到有效降低纤芯模式有效折射率的作用。并且，由于纤芯5与微结构纤芯6的模式折射率曲线变化方式不同而产生的相位匹配最终所构成的传感器件功能也不尽相同。这里先考虑纤芯5和微结构纤芯6中的第一种曲线变化关系，即在一定的归一化频率范围内纤芯5的模式折射率曲线的斜率比微结构纤芯6大，并有纤芯5的模式折射率刚开始低于微结构纤芯6的模式折射率，因而随着归一化频率的增加，纤芯5的模式折射率曲线与微结构纤芯6的模式折射率曲线相交，最终高于微结构纤芯6的模式折射率。第二种曲线变化关系即为，纤芯5的模式折射率曲线斜率比微结构纤芯区6的模式曲线斜率小，并有在归一化频率较低时，纤芯5的模式折射率比微结构纤芯6高，因此随着归一化频率的增高，两曲线也会相交，最终纤芯5的折射率低于微结构纤芯6的模式折射率。

针对以上所述的两种曲线关系得出如下：两种曲线变化关系均在某一波长处相交，当微结构纤芯6中待测样品折射率的微小变化导致其模式折射率的升高或降低，两条曲线相交的波长点会发生移动，而当纤芯5与微结构纤芯6的模式折射率曲线斜率相差不大时，就会使得两纤芯模式的相位匹配点有较大的移动。

纤芯5与微结构纤芯6模式折射率曲线的第一种变化关系能够增大待测物质的折射率检测范围，这从耦合长度的角度可以做出解释：首先，随着待测样品的折射率的增加，微结构纤芯6中的模式有效折射率升高，导致微结构纤芯6与纤芯5模式的相位匹配点向长波方向移动，进而增大了两纤芯之间的重叠区域，因此，耦合长度减小；同时，随着微结构纤芯6中待测样品折射率的增加，减小了其与纤芯5的重叠区域（由于模式能量更愿意待在高折射率物质中），因此耦合长度增加。正是因为纤芯5与微结构纤芯6的重叠区域的增强和减弱而使得其相应的耦合长度减小和增大，使得最终的耦合长度值出现部分的抵消。相比之下，纤芯5与微结构纤芯6模式折射率曲线的第二种变化关系不会产生重叠区域的增大和减小而是一直处于减小趋势，因而其相应的耦合长度随着待测样品的折射率的变化而改变比较明显。事实上，光纤长度化对器件的检测极限影响比较大，准确说是随着光纤长度逐渐偏离耦合长度会使得半宽度λ_FWHM变宽，导致相应的检测极限变差。因此控制器件的长度对提高检测极限起到了关键作用。

实施例一：

如图1所示，双芯光纤的基质材料1为纯石英，孔周期Λ为6.487μm，介质棒4的直径为4.925μm，注入待测样品的填充孔3及空气孔2的直径均为3.2435μm，介质棒4的折射率比基质材料的折射率低0.01，待测样品的折射率为1.33。从图1中可以看出，纤芯5由纯石英基质材料和介质棒4组成；微结构纤芯6中的七个空气孔的作用为注入待测样品。纤芯5和微结构纤芯6中的模式有效折射率随归一化频率的关系如图4所示。从图中看出，两曲线如上述讨论的第一种曲线关系，并且在很宽的一段频率范围内仅有一个相位匹配点。当将光纤长度取为21.36mm时，从一侧纤芯输入一束光，检测同一侧纤芯中的能量传输谱线，在相位匹配的波长处会出现能量极小值，如图5所示。从图中可以看出，谐振波长出现在1.55μm，并且计算得到半宽度λ_FWHM=0.02nm。图6给出了该结构的谐振波长随着待测样品折射率的变化情况，可以看到谐振波长随着待测样品折射率的增加向短波方向移动，计算得到折射率为1.33附近灵敏度达到8.6×10³nm/RIU，因而在n_a=1.33时检测极限达到8.72×10^-8RIU。此外，图7给出了光纤长度取为21.36mm时，该结构的灵敏度和检测极限随着待测物质折射率变化。

实施例二：

其横截面如图2所示，该结构基质材料1为石英，孔周期Λ为6.487μm，小空气孔7的直径为1.9461μm，注入待测样品的填充孔3及空气孔2的直径均为3.2435μm，待测样品的折射率为1.33。从图2中可以看出，纤芯5由纯石英基质材料和小空气孔7组成；微结构纤芯6中的七个空气孔的作用为注入待测样品。纤芯5和微结构纤芯6中的模式有效折射率随归一化频率的关系如图8所示。从图中看出，两曲线如上述讨论的第二种曲线关系，并且它们在很宽的一段频率范围内仅有一个相位匹配点。当将光纤长度取为20.33mm时，从一侧纤芯输入一束光，检测同一侧纤芯中的能量传输谱线，在相位匹配的波长处会出现能量极小值，如图9所示。图中可以看出，谐振波长出现在1.55μm处，此时得到半宽度λ_FWHM=0.08nm。此外，图10给出了该结构的谐振波长随着待测样品折射率的变化情况，可以看到谐振波长随着待测样品折射率的增加向长波方向移动，计算得到折射率为1.33附近灵敏度达到1.2×10⁴nm/RIU，因而在n_a=1.33时检测极限达到2.5×10^-7RIU。同时图11给出了光纤长度为20.33mm时，该结构的灵敏度和检测极限随着待测物质折射率的变化情况。

Claims (8)

1.一种光子晶体光纤折射率传感器，包括包层、纤芯（5）和微结构纤芯（6）；其特征在于：所述包层由基质材料（1）和孔周期Λ相同多个空气孔（2）所组成，所述纤芯（5）和微结构纤芯（6）分别被两层及以上所述空气孔（2）包围；所述纤芯（5）有一个方向被6层及以上空气孔包围；所述纤芯（5）中设有一个小于所述空气孔（2）直径的小空气孔（7）或折射率低于所述基质材料（1）的介质棒（4）；所述微结构纤芯（6）是7个填充孔（3）所围的区域，其与所述纤芯（5）间隔一个空气孔（2）；所述填充孔（3）的排布为6个中心连线为正六边形，另一个居于所述正六边形中央；所述填充孔（3）的孔中心之间的间距不大于两倍的孔周期Λ。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于：所述空气孔（2）的直径d_b与孔周期Λ的关系为：0.46Λ≤d_b≤0.52Λ。

3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述小空气孔（7）的直径d_a与孔周期Λ的关系为：0.25Λ≤d_a≤0.35Λ。

4.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述介质棒（4）的折射率比基质材料的折射率低0.001~0.01。

5.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述介质棒（4）的直径d_D与孔周期Λ的关系为：0.9Λ≤d_D≤1.5Λ。

6.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤折射率传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤折射率传感器的长度为一个耦合长度，其中耦合长度是指纤芯（5）和微结构纤芯（6）间的模式有效折射率在某一波长处相位匹配，能量发生完全耦合，能量从纤芯(5)完全转移到微结构纤芯(6)所需的长度。

7. 一种光子晶体光纤折射率传感系统，包括权利要求1所述的光子晶体光纤折射率传感器、宽带光源、光耦合系统、偏振控制器、光谱检测系统；所述光子晶体光纤折射率传感器一端经光耦合系统与宽带光源连接，另一端经偏振控制器后依次与光耦合系统和光谱检测系统连接；所述光耦合系统将宽带光源的光线耦合到所述光子晶体光纤折射率传感器的纤芯（5）。

8.根据权利要求7所述的一种光子晶体光纤折射率传感系统，其特征在于：所述光子晶体光纤折射率传感器的长度为一个耦合长度，其中耦合长度是指纤芯(5)和微结构纤芯(6)间的模式有效折射率在某一波长处相位匹配，能量发生完全耦合，能量从纤芯(5)完全转移到微结构纤芯(6)所需的长度。

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