CN107860488B - 一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感方法和传感器，光子晶体光纤空气孔填充折射率对温度敏感的液体；经过电光调制器EOM调制后的脉冲光传输至掺饵光纤放大器EDFA，掺饵光纤放大器EDFA连接可自发辐射噪声滤除的环形器和光纤光栅，光纤光栅连接第一光纤耦合器OC，第一光纤耦合器OC输出千分之一的信号作为参考光至第1输出端，剩余的光经一个光纤环形器至环形布里渊震荡腔,环形布里渊震荡腔下方的第二光纤耦合器OC输出10％的信号光和斯托克斯光,10％的信号光传输至第2输出端；将第2端输出的信号光与1端输出的信号光进行快光时间提前对比，通过时间提前与温度的关系来测控温度的变化。

Description

一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感方 法及传感器

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤温度传感方法和传感器，尤指应用于液体填充的光子晶体光纤的传感方法和传感器。

背景技术

光在传播时的群速度加快或者减慢的物理现象称为快慢光。近几十年来，随着光信息处理和光通信等技术的发展，将光的群速度进行调控已经成为了光学领域研究的热点。快慢光技术在光信息处理，光传感，以及光通信等领域有着巨大的应用潜力。随着光纤通信系统的发展，在光纤中控制光的群速度变得越来越重要。光纤中的可控快慢光技术由于其结构简单，易于实现等特点，更是吸引了更多的关注和研究。光纤中的快慢光技术对于光缓存器件的发展以及全光通信网络的实现具有重大的意义。

目前，对于基于空气孔填充的光子晶体光纤PCF的传感尤其是温度传感已有较多报道。2010年，Han等利用液体填充的光子晶体光纤PCF设计了一种基于强度调制的光子晶体光纤PCF温度传感器。

中国专利CN 102288326B公开一种填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法，其特征是，包括下列步骤：调制对温度敏感的混合液：乙醇与氯仿按照0.3：0.7的配比调配得到的混合液；或者乙醇与甲苯按照0.45：0.55或者0.6：0.4的配比调配得到的混合液；将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤；光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤，将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源，另一段单模光纤连接功率计；将填充混合液后的光子晶体光纤置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。

中国专利CN102620859B公开一种基于表面增强拉曼散射的光子晶体光纤温度传感器，采用纤芯包层结构，光纤为带隙型空芯光子晶体光纤，纤芯为芯层空气孔，光纤包层中均布沿轴向呈正六边形周期性排列的包层空气孔，包层空气孔直径小于芯层空气孔直径，芯层空气孔内壁沉积或镀有金属纳米颗粒，芯层空气孔内填充罗丹明胶体溶液。

2014年Geng等利用液体填充的光子晶体光纤PCF设计出一种基于马赫增德尔干涉仪的高灵敏温度传感器。温度灵敏度达到了-1.83nm/℃。2016年，Yashar等人利用纤芯填充液体的光子晶体光纤PCF进行受激布里渊散射SBS慢光数值模拟。

总的来说，关于光子晶体光纤PCF的温度传感的研究主要是基于折射率引导型光子晶体光纤PCF。而目前对于液体填充的光子晶体光纤PCF中温度对于快光传感特性的研究还是一个空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于快光时间提前的温度传感方法和传感器，将光子晶体光纤液体填充与快光结合，具有较高的灵敏性，有广泛的应用前景。

为达成上述目的，本发明一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感方法，光子晶体光纤空气孔中填充折射率对温度敏感的液体；在一个足够强的高斯脉冲信号光沿着光纤-z方向传输，产生的斯托克斯光可以作为沿着+z方向传输的泵浦光，声波和入射信号光的方向是一样的。当信号光的中心频率比斯托克斯光的频率高一个布里渊频移Ω_B，此时高斯脉冲信号光经历衰减过程，,产生时间提前，在小信号稳态解的条件下可以得到信号光的时间提前量，在光子晶体光纤填充温度敏感液体后单位温度下快光时间提前量改变越大，通过快光时间提前量与温度的关系来实现对温度的监控。

一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感器，其特征在于：光子晶体光纤空气孔间距为Λ＝2.3μm保持不变，空气孔直径d可调节，占空比d/Λ值为0.6-0.8，在空气孔中填充折射率对温度敏感的液体；传感器输出光源为分布式反馈激光源DFB，分布式反馈激光源DFB输出光传输至电光调制器EOM，电光调制器EOM连接信号发生器FG，经过电光调制器EOM调制后的脉冲光传输至掺饵光纤放大器EDFA，掺饵光纤放大器EDFA连接可自发辐射噪声滤除的环形器和光纤光栅，光纤光栅连接第一光纤耦合器OC，第一光纤耦合器OC一个输出端连接第1输出端，第一光纤耦合器OC一个输出端通过一个光纤环形器连接环形布里渊震荡腔,环形布里渊震荡腔中传输的信号光比光子晶体光纤PCF中发生受激布里渊散射SBS作用产生的后向斯托克斯光高一个布里渊频移，环形布里渊震荡腔下方的第二光纤耦合器OC输出10％的信号光和斯托克斯光,10％的信号光传输至第2输出端。

在环形布里渊震荡腔内设有调整信号光和斯托克斯光偏振态的偏振控制器PC。

所述的折射率对温度敏感的液体为乙醇。

采用了上述方案后，通过在PCF空气孔中填充乙醇液体，PCF的模场分布随着温度变化明显；快光传输时的群速度，脉冲形变，脉冲展宽因子，布里渊频移以及快光传输的时间提前量相比填充前随着温度的改变都有明显的变化。且占空比越小，单位温度下快光时间提前量改变越大。在节距Λ＝2.3μm，PCF占空比d/Λ为0.6，输入波长为1550nm，泵浦光功率为20mw，快光传输有效距离为10m，温度从20℃升至70℃时，信号光的时间提前从18.48ns改变至23.01ns。时间提前量温度灵敏度为0.091ns/℃。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2为本发明光子晶体光纤PCF截面示意图；

图3表示在光子晶体光纤PCF填充液体前后信号光经历快光过程中归一化脉冲波形强度的变化；

图4表示不同占空比PCF填充前后光场(上图)和声场(下图)分布图；

图5表示不同占空比PCF填充前后有效模场面积随温度的变化。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

光子晶体光纤是一种截面具有周期性排列空气孔的结构，能把光束集中在纤芯很小的区域，在SBS过程中增强声光的相互耦合，可实现比普通单模光纤高的非线性，能用较短的光子晶体光纤实现较大的时间延迟或提前。且光子晶体光纤可以通过改变其结构来进行设计，并可以通过在空气孔中填充气体或液体甚至固体来改变光在光纤中的传输特性进而用于传感。图1是本发明利用液体填充光子晶体光纤PCF实现快光时间提前温度传感系统结构示意图。DFB为分布式反馈激光源，输出光经过一个电光调制器(EOM)进行调制,调制的射频信号通过一个信号发生器(FG)提供。经过调制后的脉冲光经过掺饵光纤放大器(EDFA)进行放大。然后通过一个环形器和光纤光栅将自发辐射噪声滤除，经光纤光栅滤波后由第一光纤耦合器(OC)通过第1输出端输出千分之一的信号作为参考光，剩余的光通过一个光纤环形器进入环形布里渊震荡腔。并在光子晶体光纤PCF中发生SBS作用。产生的后向斯托克斯光在震荡腔中传输。腔内的信号光比斯托克斯光高一个布里渊频移，此时信号光满足快光相位匹配条件，斯托克斯光将作为泵浦光传输,信号光将产生时间提前。环形腔下方的光纤耦合器(OC)输出10％的信号光和斯托克斯光,将其中输出到第2输出端的10％的信号光与第1输出端输出的信号光进行对比来得到快光提前量，通过快光时间提前量与温度的关系来实现对温度的监控。在环形腔中加入偏振控制器(PC)来调整信号光和斯托克斯光的偏振态。使得信号光能够实现最大的时间提前。

图2为光子晶体光纤PCF的结构图，d代表空气孔的直径，Λ代表空气孔之间的间距(截距),层数为4层。选取的光子晶体光纤为折射率引导型，填充液体为乙醇。本发明中，Λ＝2.3μm保持不变，改变空气孔直径d，可调节相应的d/Λ(占空比)，研究中占空比的值分别取过0.6,0.7和0.8。理论上采用有限元法来模拟填充前后光场基模和声场主模的模式分布。

本发明理论分析：

受激布里渊散射SBS是一种非线性过程，本质为泵浦波和斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用。当一束泵浦光入射进入光纤，通过电致伸缩效应产生声波，而声波会引起光纤密度分布的不均匀，调制介质的折射率，进而产生移动的折射率光栅，折射率光栅通过布拉格衍射来散射泵浦光，产生斯托克斯光。通常散射光都是后向散射的，即产生的斯托克斯光和泵浦光的传播方向相反。一般条件下，受激布里渊散射SBS动力学行为可以用以下耦合波方程来表示：

式中E_p，E_s和ρ分别是泵浦波，斯托克斯波和声波的振幅。n_g是考虑受激布里渊散射时光纤的群折射率。c是真空中的光速。α是光纤的衰减系数。γ_e是电致伸缩常数。ω_p和Ω是泵浦波和声波的角频率。Γ_B是布里渊共振线宽，它和光子寿命T_B有关，并且是光子寿命的倒数，Γ_B＝1/T_B。Ω_B是布里渊频移，即入射泵浦光和斯托克斯光的频率差。ε₀是真空中的介电常数。

在受激布里渊散射SBS中，强泵浦光经过电致伸缩效应将其能量部分转化为声波场能量。通过移动折射率光栅的散射，散射光产生了频率下移，产生斯托克斯光。当该过程进行到一定程度使声波场足够强时，介质会吸收一部分泵浦光和声波的能量，并散射产生向高频方向移动的反斯托克斯光。泵浦光，斯托克斯光，反斯托克斯光，声波之间的频率关系可以表示为：

ω_p＝ω_s+Ω_B (2)

ω_as＝ω_p+Ω_B (3)

式(2)和(3)中的ω_s和ω_as分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光的角频率。此时，斯托克斯光处在布里渊增益峰的范围，经历正常色散，其群速度小于泵浦光的群速度，并经历放大过程。而反斯托克斯光处在布里渊吸收峰的范围，会经历反常色散，其群速度大于泵浦光的群速度，会经历衰减过程。如果信号光与泵浦光之间的相位匹配条件满足式(2)和(3)，此时信号光作反斯托克斯光，信号光将会被加快，且信号光将经历衰减过程。本发明假设在一个足够强的高斯脉冲信号光沿着光纤-z方向传输，产生的斯托克斯光可以作为沿着+z方向传输的泵浦光，声波和入射信号光的方向是一样的。当信号光的中心频率比斯托克斯光的频率高一个布里渊频移Ω_B，理论上将斯托克斯光作为泵浦光分析，此时高斯脉冲信号光经历衰减过程，产生脉冲压缩。

假设泵浦光和信号光的偏振方向是相同的，通过求解布里渊耦合波方程，在小信号稳态解的条件下可以得到信号光的时间提前量为

式中ΔT是信号光在SBS过程中和未发生SBS过程中输出信号光波形峰值的之间的时间差。ω是泵浦光和信号光之间的频率差。G＝g₀L_effP是布里渊损耗。g₀代表SBS吸收系数(其值等于SBS增益系数)。L_eff是光在SBS过程中的有效长度，L_eff＝(1-e^(αL))/α，L是光纤的长度。α是衰减系数，本发明取α＝0.2dB/km,当温度窄范围变化时，α近似保持不变。P是泵浦光功率(斯托克斯光功率)。Γ_B是布里渊吸收谱的半高全宽，各阶声波模式对应的Γ_B近乎相同，为了简化分析，只考虑布里渊吸收谱中的主峰声模。A_eff是光纤的有效模场面积，可以表示为：

式中E是沿着光纤截面的电场分布。

布里渊吸收谱是一个洛伦兹型谱线，当信号光的中心频率处于吸收谱内时，信号光的传输将被加快。当信号光中心频率处于吸收谱峰值处时，(即信号光与泵浦光的频率差为一个布里渊频移Ω_B)，此时信号光获得的时间提前量最大，但同时衰减最大。只考虑快光时间提前量最大的情况，ω＝Ω_B。由(4)式可得最大快光时间提前量为

本发明中实验参数：泵浦光功率为20mw(已达到发生SBS过程的最小阈值)，泵浦波长为1550nm，信号光为高斯脉冲信号，脉宽为200ns，信号光传输有效传输距离为10m，且不同温度下对应的布里渊吸收系数不变，各阶声波模式对应的吸收谱的半高全宽近似相同，取布里渊线宽Γ_B＝20MHz，温度测试范围为20℃～70℃，通过温度对模场有效面积的影响来研究不同温度对布里渊快光时间提前量的影响。

图3表示在光子晶体光纤PCF填充液体前后信号光经历快光过程中归一化脉冲波形强度的变化。其中深色代表发明中的输入信号光，其脉冲宽度为200ns,输出信号脉冲相对输入信号脉冲宽度变窄，因为在经历快光过程中信号被压缩，随着温度升高快光时间提前量越大，相应的脉冲信号被压缩的越剧烈。在填充前各温度下对应的脉冲波形几乎重叠，填充后脉冲波形有明显分离，说明填充前PCF对于温度变化不敏感，而填充后变得敏感。信号光的脉冲宽度变化和快光脉冲展宽因子相对应。

PCF中液体填充影响理论分析

这是因为声场分布在除空气孔之外的石英介质中，而光场分布在整个光纤的截面上。实验已经表明，液体折射率随温度的变化关系为：

n(T)＝n₀-β(T-T₀) (7)

n₀是温度为T₀时液体的折射率，β为液体的温敏系数。本文所填充液体为乙醇，乙醇的温敏系数为3.94×10-4/℃-1。在20℃，在入射光波长为1550nm的情况下的折射率为1.352。故可以计算出不同温度下乙醇的折射率。由于填充乙醇后空气孔折射率增大，与石英介质的折射率差变小，所以对光场的限制能力减弱，因此填充后的光场分布大于填充前的光场分布，如图4所示。

图5表示不同占空比PCF填充前后有效模场面积随温度的变化。可以看出，占空比越大，有效模场面积越小，而且随着温度升高，有效模场面积是逐渐减小的，因为占空比越大的PCF其空气孔所占面积较大，更多的光束将被集中在纤芯中，所以有效模场面积越小。而填充后发现占空比越小的PCF有效模场面积随着温度的改变有较大变化，是因为填充乙醇后空气孔折射率增大，与石英介质的折射率差变小，对光的限制能力减弱，所以占空比越小的PCF对温度的变化越敏感。在20℃至70℃范围内，占空比为0.6的PCF有效模场面积变化量为2.75μm²。

本发明提出了一种基于液体填充的单包层折射率引导型PCF利用SBS的快光时间提前温度传感系统模型，理论上分析受激布里渊散射(SBS)三波耦合方程，得出小信号解下快光时间提前量的关系式；研究了三种不同占空比下的六边形PCF在温度为20℃至70℃范围时的快光温度传感特性。结果表明通过在PCF空气孔中填充乙醇液体，PCF的模场分布随着温度变化明显；快光传输时的群速度，脉冲形变，脉冲展宽因子，布里渊频移以及快光传输的时间提前量相比填充前随着温度的改变都有明显的变化。且占空比越小，单位温度下快光时间提前量改变越大。在节距Λ＝2.3μm，PCF占空比d/Λ为0.6，输入波长为1550nm，泵浦光功率为20mw，快光传输有效距离为10m，温度从20℃升至70℃时，信号光的时间提前从18.48ns改变至23.01ns。时间提前量温度灵敏度为0.091ns/℃。。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效形状或结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感方法，其特征在于：光子晶体光纤空气孔中填充折射率对温度敏感的液体；一个足够强的高斯脉冲信号光沿着光纤-z方向传输，产生的斯托克斯光作为沿着+z方向传输的泵浦光，泵浦光经过电致伸缩效应将其能量部分转化为声波，声波和入射信号光的方向是一样的,当信号光的中心频率比斯托克斯光的频率高一个布里渊频移Ω_B，此时高斯脉冲信号光经历衰减过程，产生时间提前，在小信号稳态解的条件下得到信号光的时间提前量为

，式中ΔT是信号光在受激布里渊散射SBS过程中和未发生受激布里渊散射SBS过程中输出信号光波形峰值之间的时间差,ω是泵浦光和信号光之间的频率差,Γ_B是布里渊共振线宽,Ω_B是布里渊频移,A_eff是光纤的有效模场面积,G＝g₀L_effP是布里渊损耗，g₀代表受激布里渊散射SBS吸收系数，其值等于受激布里渊散射SBS增益系数，L_eff是光在受激布里渊散射SBS过程中的有效长度，P是斯托克斯光功率，L_eff＝(1-e^(αL))/α，L是光纤的长度,α是衰减系数，在光子晶体光纤填充温度敏感液体后单位温度下快光时间提前量改变增大，通过快光时间提前量与温度的关系来实现对温度的监控。

2.一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感器，其特征在于：光子晶体光纤空气孔间距为Λ＝2.3μm保持不变，空气孔直径d可调节，占空比d/Λ值为0.6-0.8，在空气孔中填充折射率对温度敏感的液体；传感器输出光源为分布式反馈激光源DFB，分布式反馈激光源DFB输出光传输至电光调制器EOM，电光调制器EOM连接信号发生器FG，经过电光调制器EOM调制后的脉冲光传输至掺饵光纤放大器EDFA，掺饵光纤放大器EDFA连接可自发辐射噪声滤除的环形器和光纤光栅，光纤光栅连接第一光纤耦合器OC，第一光纤耦合器OC一个输出端连接第1输出端，第一光纤耦合器OC一个输出端通过一个光纤环形器连接环形布里渊震荡腔,环形布里渊震荡腔中传输的信号光比光子晶体光纤PCF中发生受激布里渊散射SBS作用产生的后向斯托克斯光高一个布里渊频移，环形布里渊震荡腔下方的第二光纤耦合器OC输出10％的信号光和斯托克斯光,10％的信号光传输至第2输出端，将其中输出到第2输出端的10％的信号光与第1输出端输出的信号光进行对比来得到快光提前量，随着温度的升高，信号光时间提前量增大，通过快光时间提前量与温度的关系来实现对温度的监控。

3.如权利要求2所述的一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感器，其特征在于：在环形布里渊震荡腔内设有调整信号光和斯托克斯光偏振态的偏振控制器PC。

4.如权利要求2所述的一种基于液体填充的光子晶体光纤快光时间提前温度传感器，其特征在于：所述的折射率对温度敏感的液体为乙醇。

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