CN102818583A - 基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器，由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤为传感头，通过把功能材料选择性填充入具有三角形栅格空气孔分布的折射率引导型的微结构光纤的纤芯周围的两个相邻空气孔中，实现折射率和光子带隙混合传导机制的双折射光纤。利用该双折射光纤的群双折射在特定波长处存在零点的特性，由其组成的Sagnac光纤干涉仪的透射谱呈现出不同于普通干涉仪的光谱特性，具有对外界参量超高的响应灵敏度。本发明的优点是：实现方式灵活、传感灵敏度高，能广泛应用于温度、折射率等参量的高灵敏度传感测量以及光开关、可调谐滤波器等光学器件的制造领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种微结构光纤传感器，特别是基于功能材料选择性填充的、具有混合传导机制的、温度灵敏度可达35nm/℃(折射率灵敏度>85,995nm/RIU)以上的微结构光纤干涉型传感器。
背景技术
微结构光纤（Microstructure Optical Fiber），又称光子晶体光纤(Photonic Crystal fiber)或多孔光纤(Holey fiber)，是近年来迅速发展起来的一种具有较高科研价值和广阔市场应用前景的新型光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔。微结构光纤根据导光机理的不同可分为两种：折射率引导型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与传统光纤的导光机制类似，纤芯折射率高于周围由空气孔组成的包层有效折射率，光被约束在纤芯中传输；而光子带隙型微结构光纤的包层具有周期性的折射率分布，通过光子带隙效应将光限制在低折射率的纤芯缺陷中传导。
微结构光纤具有特殊的传导机制和灵活设计的结构，表现出许多普通光纤所不具备的的优异特性，如无截止单模特性、高双折射特性、奇特的多芯和多模耦合特性等。特别是纤芯及包层具有空气孔分布的微结构光纤，为填充各种材料进入微结构光纤提供了空间和条件，这一特点可以极大地拓宽微结构光纤的应用领域，设计并研制出更多的新型可调谐及传感光纤器件。基于高双折射光纤的Sagnac干涉仪（或高双折射光纤环形镜）由于具有结构简单、易于实现等优点，在光传感和光通信领域具有重要的应用。但基于传统高双折射（保偏）光纤的干涉仪的温度传感灵敏度一般小于3nm/℃，且所用光纤一般较长。微结构光纤由于结构设计的灵活性，其双折射可比普通光纤高出1~2个数量级，能够实现结构紧凑的传感器、滤波器及偏振器件等。但由于微结构光纤一般是由单一的纯二氧化硅材料组成，对温度不敏感，不能作为温度传感器使用。功能材料填充的高双折射微结构光纤改变了这种状况，利用功能材料的折射率改变对微结构光纤传导机制及特性的影响，可实现高灵敏度的折射率、温度等多种参量的传感测量。2002年，C.Kerbage等人在“Numerical analysis and experimental design of tunable birefringence in microstructured opticalfiber”,Optics Express,10,247-255(2002)中对一种柚子型微结构光纤包层的某个或某几个空气孔填充聚合物温敏性材料，实现了双折射可调的微结构光纤。2011年，W.Qian等人在“High-sensitivity temperature sensor based on an alcohol-filled photonic crystal fiber loopmirror”,Opt.Lett.36(9),1548(2011)中报道了将酒精填充入一种折射率引导型高双折射微结构光纤的所有包层空气孔中，并作为温度传感头，然后将其与3dB耦合器相连形成Sagnac干涉仪，实现了高达6.6nm/℃的高灵敏度温度传感测量。但上述报道的工作中，功能材料的引入并没有改变微结构光纤的传导机制，材料填充前后均为折射率引导型光纤。光子带隙光纤的双折射特性呈现了与折射率引导型微结构光纤不同的优异特性。2009年，Gilhwan Kim等人在“Strain and temperature sensitivities of an elliptical hollow-corephotonic bandgap fiber based on Sagnac interferometer”,OPTICS EXPRESS 17,2481-2486(2009)中将具有双折射特性的空芯光子带隙光纤接入Sagnac光纤环中，研究了带隙中干涉条纹与群双折射的关系，由于带隙边缘的双折射高于带隙中间，其干涉条纹呈现出对波长的强烈依赖，其干涉条纹对温度和应力的敏感特性存在巨大差异，基于该特性实现了温度（敏感系数为：3.97pm/℃）和应力的双参数测量。2012年,XB zheng等人在“Transmissionand temperature sensing characteristics of a selectively liquid-filledphotonic-bandgap-fiber-based Sagnac interferometer”中报道了通过将一种高双折射微结构光纤包层中的所有小空气孔填充入高折射率的温敏材料，使该光纤的传导机制由折射率引导型变成了光子带隙型，由该光纤组成的Sagnac干涉仪的传输光谱特性表现出强烈的波长依赖性，不同波长具有不同的温度传感特性，可实现的最大温度敏感系数接近~1nm/℃。但据我们了解，在公知的基于高双折射微结构光纤的干涉型可调谐及传感器件中，所实现的最高调谐速度或传感灵敏度均低于10nm/℃，且其传导机制为光子带隙型和折射率引导型中的一种。目前尚无基于功能材料选择性填充的、具有混合传导机制的、微结构光纤干涉型的超高灵敏度传感器（温敏系数>10nm/℃）的报道。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术中存在的上述不足，提供一种基于功能材料选择性填充微结构光纤的、实现方式灵活、操作简单、传感灵敏度高的新型光纤传感器。
本发明的技术方案是：
一种基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器，由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）、外界传感参量加载装置（2）、四端口光方向耦合器（3），偏振控制器（4）构成；功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）位于传感参量加载装置（2）内，该光纤的一端与四端口光方向耦合器（3）的第四端口d相连，另一端与偏振控制器（4）的一端相连，偏振控制器（4）的另一端与四端口光方向耦合器（3）的第三端口c相连；四端口光方向耦合器（3）的第一端口a与传感光源（5）相连，第二端口b作为传感器的输出端口，与传感器解调装置或光谱测量仪器（6）相连；
所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）是使用功能材料选择性填充入微结构光纤的紧挨纤芯任意两个相邻的空气孔，形成具有双折射特性的微结构光纤，且该双折射微结构光纤的群双折射在特定光波长处存在零点。所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）的具体实施步骤是：利用两个直径为~6微米的熔点大于100℃的聚乙烯小球在显微镜下置于紧挨纤芯任意两个相邻的空气孔上；利用高于100℃的温度将聚乙烯小球熔化，然后冷却至常温，此时两个空气孔被聚乙烯小球堵住；然后将两空气孔包含聚乙烯小球的光纤端面浸入熔化的石蜡液体中3~4分钟，利用毛细吸收作用，石蜡进入到没有被聚乙烯小球堵住的其余空气孔中；之后利用宝石刀将光纤端面切掉，使被聚乙烯小球堵住的两个空气孔开放，其余的空气孔被石蜡堵住；最后利用低压装置将功能材料选择性填充入微结构光纤的纤芯周围开放的那两个空气孔中。
所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）为材料基底上按照三角形栅格结构排列空气孔，纤芯通过缺失至少一个空气孔形成；光纤材料为纯石英或能形成光纤的聚合物材料；光纤通过折射率引导方式实现光的低损耗传导。
所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）中填充的功能材料是指折射率能够随外加温度、电场、磁场、声场或光场的改变而变化的温敏材料、电光材料、磁光材料、声光材料或光敏材料，且折射率大于所述微结构光纤的基底材料的折射率。
所述功能材料具体是Cargille Laboratories Inc.生产的一种高折射率匹配液。
所述外界传感参量加载装置（2）是指能使所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）中的功能材料的折射率发生改变的温度、电场、磁场、声场或光场的产生、加载和调节装置。
所述的四端口光方向耦合器（3）的工作波长范围位于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）的低损耗工作波长带宽范围内，且该波段范围内四端口光方向耦合器的分光比为~1：1。
本发明的工作原理是：
将所述功能材料选择性填充到所述微结构光纤的紧挨纤芯的两个空气孔中，其具体实施步骤为：利用两个直径为~6微米的熔点大于100℃的聚乙烯小球在显微镜下置于紧挨纤芯任意两个相邻的空气孔上；利用高于100℃的温度将小球熔化，然后冷却至常温，此时两个空气孔被小球堵住；将此时的光纤端面浸入熔化的石蜡液体中3~4分钟，利用毛细吸收作用，石蜡进入到没被小球堵住的其余空气孔中；利用宝石刀将光纤端面切掉，使被小球堵住的两个空气孔开放，其余的空气孔被石蜡堵住；接下来利用低压装置将功能材料选择填充入微结构光纤的纤芯周围开放的那两个空气孔，形成具有光子带隙和折射率引导混合传导机制的双折射微结构光纤。该选择性填充实现的双折射微结构光纤具有特殊的相双折射和群双折射特性，特别是其群双折射在特定波长处存在零点。将该功能材料选择性填充的双折射微结构光纤与四端口光方向耦合器相结合形成Sagnac干涉型传感器，其中功能材料选择性填充的双折射微结构光纤为传感头。在该干涉型传感器中，光从输入端口进入四端口光方向耦合器中，然后被分成功率基本相等的两束光分别从第三端口c和第四端口d输出并分别沿顺时针和逆时针经过功能材料选择性填充的双折射微结构光纤，两束光传播一周后再回到耦合器时，由于功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的双折射效应，两束光之间会产生附加的相位差，从而产生干涉。根据功能材料的特性，通过改变施加到功能材料填充的双折射微结构光纤上的相应外场（如对填充温敏功能材料的微结构光纤，施加温度场；对填充电光材料的微结构光纤，施加电场等）来改变填充材料的折射率，从而实现功能材料选择性填充双折射微结构光纤的双折射特性的调谐，进而使得其干涉光谱特性发生改变，干涉光谱与外界参量之间存在一一对应关系，通过解调，即实现了对外界参量的传感测量。由于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的群双折射在特定波长处接近于零，使得该波长附近的干涉光谱特性对外界物理量变化极其敏感，从而具有超高灵敏度的传感特性。
本发明的优点和积极效果：
实现方式灵活、传感灵敏度高等，能广泛应用于光传感器、光开关、可调谐光滤波器等光学器件的制造领域。
附图说明
图1是本发明的结构组成示意图；
图2是功能材料选择性填充的双折射微结构光纤的光纤截面图；
图3是理论计算的图2所示选择性填充的双折射微结构光纤的相双折射随温度的变化规律；
图4是理论计算的图2所示选择性填充的双折射微结构光纤的群双折射随温度的变化规律；
图5是理论计算的基于图2所示选择性填充双折射微结构光纤的Sagnac干涉仪的透射谱；
图6是图5所示谐振波谷(1)-(6)及群双折射为0的波长(7)随温度的变化趋势；
图7是本发明在温度范围26.6℃-40.5℃的实验输出光谱图；
图8是本发明在温度范围42.4℃-56.7℃的实验输出光谱图；
图9是本发明在温度范围58.3℃-71.3℃的实验输出光谱图；
图10是图7-图9所示的干涉波谷A-H的波长随温度的变化趋势；
图11是图10所示干涉波谷C-H在不同温度下的温度灵敏度。
图中：1.功能材料选择性填充的双折射微结构光纤，2.外界传感参量加载装置，3.四端口光方向耦合器，4.偏振控制器，5.传感光源，6.传感器解调装置或光谱测量仪器，7.基底材料，8.三角形栅格排列的包层空气孔，9.功能材料填充的两个包层孔，10.缺陷纤芯。
具体实施方式
实施例：结合附图说明如下。
如图1所示的基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器，由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）、外界传感参量加载装置（2）、四端口光方向耦合器（3），偏振控制器（4）构成；功能材料选择性填充的双折射微结构光纤为传感头，位于传感参量加载装置内，该光纤的一端与四端口光方向耦合器（3）的第四端口d相连，另一端与偏振控制器（4）的一端相连，偏振控制器的另一端与四端口光方向耦合器的第三端口c相连；四端口光方向耦合器的第一端口a与宽带光源（5）（光谱覆盖600nm~1700nm范围）相连，第二端口b作为传感器的输出端口，与光纤光谱仪（6）相连。
所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）是使用功能材料选择性填充入微结构光纤的紧挨纤芯任意两个相邻的空气孔，形成具有双折射特性的微结构光纤，且该双折射微结构光纤的群双折射在特定光波长处存在零点。所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）的具体实施步骤是：利用两个直径为~6微米的熔点大于100℃的聚乙烯小球在显微镜下置于紧挨纤芯任意两个相邻的空气孔上；利用高于100℃的温度将聚乙烯小球熔化，然后冷却至常温，此时两个空气孔被聚乙烯小球堵住；然后将两空气孔包含聚乙烯小球的光纤端面浸入熔化的石蜡液体中3~4分钟，利用毛细吸收作用，石蜡进入到没有被聚乙烯小球堵住的其余空气孔中；之后利用宝石刀将光纤端面切掉，使被聚乙烯小球堵住的两个空气孔开放，其余的空气孔被石蜡堵住；最后利用低压装置将功能材料选择性填充入微结构光纤的纤芯周围开放的那两个空气孔中。所述功能材料具体是Cargille Laboratories Inc.生产的一种高折射率匹配液。
图2为实施例中使用的微结构光纤的横截面图，基质材料7为纯的二氧化硅材料，在基质材料7上分布着按照三角形栅格排列的五层空气孔8，形成包层。空气孔平均直径约为3.87μm，平均孔间距约为5.57μm，由于包层有效折射率低于纤芯，该光纤通过折射率引导效应导光。紧挨缺陷纤芯10任意两个相邻的空气孔9被填充了高折射率的折射率匹配液，该液体在常温25℃、波长583nm处的折射率为1.52，其温敏系数为-0.000407/℃。
微结构光纤经选择性填充后其对称性被打破，实现了基于选择性填充的折射率引导和带隙引导共同作用的双折射微结构光纤。其相双折射B定义为两个正交方向x和y上的模式有效折射率之差：
B＝nx-ny， （1）
其中nx和ny是两个正交方向x和y上纤芯基模的有效折射率。
群双折射Bg定义为：
其中λ为光波长。根据双折射光纤组成的Sagnac干涉仪的透射谱T计算公式：
T＝sin2(πLB/λ)， （3）
其中L代表双折射光纤的长度。当满足谐振条件：
πLB/λ＝kπ， （4）
时，干涉波谷的位置出现在波长λ处，其中k是非零的整数。由此可推导出谐振波谷波长λ随温度T的变化：
从公式（5）可以看出，谐振波长随温度变化的灵敏度是和相双折射随温度的变化率dB(λ,T)/dT及群双折射Bg(λ,T)的大小和符号有关系的。
图3和图4是理论计算的该选择性填充双折射微结构光纤的相双折射和群双折射随温度的变化。相双折射曲线随温度的升高向短波漂移。这样，在一定波长范围内（带隙中部到长波边界），相双折射的绝对值大小是随温度的升高而降低的；在另一定波长范围内（带隙短波边界），相双折射的绝对值大小是随温度的升高而升高的。群双折射在某个波长处，其值为0，并且在该波长值的两边，群双折射的符号是相反的。而且该波长值会随着温度的升高而向短波漂移。这些特征和传统的折射率引导型的双折射微结构光纤是不同的，这是因为纤芯周围的空气孔填充高折射率的功能性材料后，微结构光纤的传导机制是折射率引导和光子带隙引导共同作用的混合传导机制。带隙的边界效应会对光纤的双折射产生很大的影响。
图5是理论计算的填充长度L=17.5cm时，在温度25℃时基于该选择性填充的双折射微结构光纤的Sagnac干涉仪的透射谱。图6是图5所示干涉波谷(1)-(6)随温度的变化趋势。(7)代表不同温度下群双折射为0的波长值。当干涉波谷波长接近群双折射为0的波长值，其漂移速度会加快，此时的温度灵敏度很高，如：当温度处于50℃和65℃附近时，波谷（5）和（6）的灵敏度均高达-40nm/℃（合98,280nm/RIU）以上。这主要是由此时的群双折射很小造成的。
图7和图8是实验测得的由25cm长的选择性填充微结构光纤构成的Sagnac干涉仪在不同温度范围下的透射谱。由于实验室所用的功能性材料对波长大于1650nm的光有吸收作用，实验中没有发现如图5长波段（>1650nm）所示的谐振峰。从图7中可以看出，随着温度的升高，干涉波谷A向长波方向移动，B向短波方向移动，直到温度33.9℃时，两个干涉波谷消失，合成一个宽的谐振波谷，随着温度的继续升高，该干涉波谷逐渐变浅，直至40.5℃，该干涉波谷消失。随着温度的继续升高，干涉波谷C和D开始重复波谷A和B的变化趋势，如图8所示。同理，图9所示的E和F波谷，G和H波谷都有相同的变化趋势。
图10绘出了干涉波谷A-H随温度的变化趋势，可以看到和理论模拟具有相同的变化趋势。将实验数据多项式拟合，并求导，可得不同温度下谐振波谷的温度及折射率灵敏度。图11是谐振波谷C-H在不同温度下的温度灵敏度，可见随着温度的升高，其温度灵敏度逐渐增大。当温度处于50℃附近时，波谷D灵敏度大约为-26nm/℃（合63,882nm/RIU）；当温度处于66℃附近时，波谷F灵敏度大约为-22nm/℃（合54,054nm/RIU）；当温度处于79℃附近时，波谷H灵敏度达到了~-35nm/℃（合85,995nm/RIU）。
虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，不过本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变形和等效装置。
Claims (7)
1.一种基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器，其特征在于：由功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）、外界传感参量加载装置（2）、四端口光方向耦合器（3），偏振控制器（4）构成；功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）位于传感参量加载装置（2）内，该光纤的一端与四端口光方向耦合器（3）的第四端口d相连，另一端与偏振控制器（4）的一端相连，偏振控制器（4）的另一端与四端口光方向耦合器（3）的第三端口c相连；四端口光方向耦合器（3）的第一端口a与传感光源（5）相连，第二端口b作为传感器的输出端口，与传感器解调装置或光谱测量仪器（6）相连；
所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）是使用功能材料选择性填充入微结构光纤的紧挨纤芯的任意两个相邻的空气孔，形成具有双折射特性的微结构光纤，且该双折射微结构光纤的群双折射在特定光波长处存在零点。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）的具体实施步骤是：利用两个直径为~6微米的熔点大于100℃的聚乙烯小球在显微镜下置于紧挨纤芯任意两个相邻的空气孔上；利用高于100℃的温度将聚乙烯小球熔化，然后冷却至常温，此时两个空气孔被聚乙烯小球堵住；然后将两空气孔包含聚乙烯小球的光纤端面浸入熔化的石蜡液体中3~4分钟，利用毛细吸收作用，石蜡进入到没有被聚乙烯小球堵住的其余空气孔中；之后利用宝石刀将光纤端面切掉，使被聚乙烯小球堵住的两个空气孔开放，其余的空气孔被石蜡堵住；最后利用低压装置将功能材料选择性填充入微结构光纤的纤芯周围开放的那两个空气孔中。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）为材料基底上按照三角形栅格结构排列空气孔，纤芯通过缺失至少一个空气孔形成；光纤材料为纯二氧化硅或能形成光纤的聚合物材料；光纤通过折射率引导方式实现光的低损耗传导。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于：所述功能材料选择性填充的微结构光纤（1）中填充的功能材料是指折射率能够随外加温度、电场、磁场、声场或光场的改变而变化的温敏材料、电光材料、磁光材料、声光材料或光敏材料，且折射率大于所述微结构光纤的基底材料的折射率。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述功能材料具体是Cargille LaboratoriesInc.生产的一种高于光纤基底折射率的匹配液。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述外界传感参量加载装置（2）是指能使所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）中的功能材料的折射率发生改变的温度、电场、磁场、声场或光场的产生、加载和调节装置。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的四端口光方向耦合器（3）的工作波长范围位于所述功能材料选择性填充的双折射微结构光纤（1）的低损耗工作波长带宽范围内，且该波段范围内四端口光方向耦合器的分光比为~1：1。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20121212 |