CN108802468A - 光子晶体光纤电磁双参量传感器 - Google Patents

光子晶体光纤电磁双参量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，包括单模光纤、光子晶体光纤，光子晶体光纤两端与单模光纤熔接；光子晶体光纤包括基底材料和位于基底材料内的空气孔，选取一个空气孔内侧镀金属薄膜并填充电光介质，选取另一个空气孔内填充磁光介质。本发明是在外界电压、外界磁场和恒定温度的条件下，利用镀膜金表面等离子体共振效应和电光介质的电光效应作为电传感机制、光子晶体光纤纤芯的定向耦合效应和磁光介质的磁光效应作为磁传感机制，在光纤输出谱中形成了两个彼此分离的共振损耗峰，实现电压和磁场的高灵敏双参量传感。

Description

光子晶体光纤电磁双参量传感器
技术领域
本发明涉及光电传感与功能光纤技术领域，具体涉及一种利用混合传感机制的高灵敏度光子晶体光纤电磁双参量传感器。
背景技术
光子晶体光纤(PCF)又被称为微结构光纤(MSF)，近年来引起广泛关注，根据其导光机制可分为折射率导光型(TIR)光子晶体光纤和光子带隙导光型(PBG)光子晶体光纤。折射率导光型光子晶体光纤又称为全内反射型光子晶体光纤，与普通光纤传输原理类似，它是利用纤芯和包层的有效折射率之差将光限制在纤芯中，必须满足全内反射条件的光才能够在纤芯中传输。带隙型光子晶体光纤与全内反射型光子晶体光纤的原理截然不同，它是利用光子带隙效应，即利用横向存在的光子带隙使光波只能沿纵向传播，使光纤中的光在纤芯中传输。填充磁流体和液晶的光子晶体光纤同时具有磁光效应、电光效应和光子晶体光纤的特性，将这几种可以控制光子的特性结合起来，将会表现出一些独特的性质。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为光电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。光纤传感器的基本工作原理是在光纤结构中引入传感单元，将待测参量的变化转化为光纤中光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)的变化，从而间接获得被测参量。
现有的光子晶体光纤传感器存在着检测参量单一，灵敏度低等问题。
本发明的光子晶体光纤电磁双参量传感器利用光子晶体光纤镀膜金表面等离子共振效应和电光介质的电光效应、光子晶体光纤纤芯的定向耦合效应和磁光介质的磁光效应实现电压、磁场同时检测。通过优化光子晶体光纤的空气孔层数、镀金属膜厚度，使得光子晶体光纤电磁双参量传感器具有更高的灵敏度。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，解决了现有的光子晶体光纤传感器检测参量单一且灵敏度低下的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征在于：包括单模光纤、光子晶体光纤，光子晶体光纤两端与单模光纤熔接；光子晶体光纤包括基底材料和位于基底材料内的空气孔，选取一个空气孔内侧镀金属薄膜并填充电光介质，选取另一个空气孔内填充磁光介质。
前述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述光子晶体光纤空气孔层数为三层，呈三角晶格周期排列，所选空气孔分别位于第二层空气孔的任意位置。
前述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述基底材料为SiO2。
前述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述金属薄膜为镀膜金，镀膜金的厚度为30.0nm～50.0nm。
前述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述电光介质为液晶。
前述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述磁光介质为磁流体。
本发明所达到的有益效果：本发明是利用镀膜金表面等离子体共振效应和填充电光介质的电光效应作为电传感机制，利用光子晶体光纤纤芯的定向耦合效应和填充磁光介质的磁光效应作为磁传感机制，会在光纤的输出光谱中产生两个彼此分离的共振损耗峰，实现电压和磁场的高灵敏度双参量传感，满足了实际运用中对光子晶体光纤传感器的需求。本发明抗电磁干扰，器件体积小，传输信号安全，高灵敏度，稳定性好，且能够在恒定的外界条件下同时实现电磁传感。
附图说明
图1为光子晶体光纤电磁双参量传感结构示意图；
图2为镀膜金表面等离子共振和光子晶体光纤纤芯定向耦合共振损耗曲线图；
图3a为不同磁场强度下纤芯导模损耗特性图；
图3b为不同电压下纤芯导模损耗特性图；
图4a为共振波长随磁场强度变化关系图；
图4b为共振波长随电压变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，包括单模光纤1、光子晶体光纤2，光子晶体光纤2两端与单模光纤1熔接；光子晶体光纤2包括基底材料3、位于基底材料内的空气孔，在空气孔A内侧镀金属薄膜4并填充电光介质5，空气孔B填充磁光介质6。
空气孔在基底材料中呈三角晶格周期排列，空气孔层数为三层，空气孔A和B分别位于第二层空气孔的任意位置。基底材料为石英(SiO2)，在20℃时折射率为1.55；镀膜金属4为金(Au)，其厚度为30.0nm～50.0nm，电光介质5为液晶，在20℃时折射率为1.50；磁光介质6为磁流体，在20℃时的折射率为1.46；各材料的吸收均可忽略不计。
电光介质5和磁光介质6在光子晶体光纤中是选择性填充的，它区别于常规的光子晶体光纤传感器，同时由镀膜金表面等离子体共振和光子晶体光纤纤芯定向耦合的作用作为传感通道，在外界电压、磁场以及恒定温度的条件下，利用镀膜金表面等离子共振效应和液晶的电光效应作为电传感机制、光子晶体光纤纤芯定向耦合效应和磁流体的磁光效应作为磁传感机制，在光纤输出谱中形成了两个彼此分离的共振损耗峰，从而实现电压和磁场的高灵敏双参量传感。
光子晶体光纤电磁双参量传感器的工作原理如下：在外界恒定温度的条件下，沿光子晶体光纤截面方向施加电压E，沿径向施加磁场H，光子晶体光纤两端与单模光纤熔接后分别连接宽带光源和光谱仪。过程中利用镀膜金表面等离子体共振效应和液晶的电光效应作为电传感机制、光子晶体光纤纤芯的定向耦合效应和磁光介质的磁光效应作为磁传感机制，入射光经光子晶体光纤传感结构后最终在光谱仪获取损耗谱，可以在光纤输出谱中可以看到两个彼此分离的共振损耗峰，从而通过数值分析实现对外加电压和磁场的检测。
实例一：
使用COMSOL Multiphysics仿真软件建立光子晶体光纤几何模型并进行数值模拟和模式分析，记录不同波长下纤芯模式的有效折射率neff，其虚部Im(neff)表征的损耗特性如图2所示，此时环境温度设定为25℃，磁场强度为210Oe，电压为50V，在输出谱中产生了两个相互分离的共振损耗峰A1和B1，其中损耗峰A1是填充电光介质的镀膜金表面等离子体共振通道作用的结果，用于电压的检测；损耗峰B1是填充磁光介质的光子晶体光纤纤芯定向耦合通道作用的结果，用于磁场的检测。
实例二：
如图3a所示，在温度25℃时，记录了150Oe和210Oe磁场强度下纤芯导模的损耗随波长的变化规律。对比发现当磁场强度为210Oe时，共振损耗峰随磁场强度的增大向长波长方向移动，发生红移，且损耗峰值略有增加。共振损耗峰对应的共振波长λr对磁光介质折射率的变化较为敏感，因此利用这一特性即可通过比较λr的漂移来分析磁光介质折射率的改变，进而检测磁场强度的变化，实现磁场传感。
实例三：
而图4a则显示了共振波长与磁场强度的变化关系，可以发现基于光子晶体光纤纤芯定向耦合效应的填充磁光介质的光子晶体光纤磁场传感具有较好的线性度和灵敏度，在90Oe～270Oe的磁场强度范围内灵敏度最高可达(SH为磁场强度下的灵敏度，λ为波长，H为磁场)。分析朗之万曲线的变化规律可得，磁光介质在磁场强度较低时的有效折射率变化率更大；而且在较低的磁场强度下磁光介质的有效折射率更加靠近光纤基底石英材料的有效折射率，较小的折射率差使得纤芯导模与缺陷芯B(空气孔B)的模式发生共振耦合的强度更加强烈。
实例四：
图3b是电压为20V和30V时纤芯导模损耗随波长的变化关系，可以发现30V电压下的损耗曲线相对20V电压时向长波长方向产生明显位移，即发生红移，损耗峰值变化不大。
实例五：
图4b为填充电光介质的空气孔A中发生镀膜金表面等离子体共振时的共振波长随外加电压的变化关系图，低电压时共振波长λr随着电压增大红移，电压达到50V后电光介质折射率分量的曲线逐渐趋于饱和，此后电光介质折射率随电压变化较不敏感，对应的共振波长λr变化也较微弱。在5～50V的外加电压范围内灵敏度最高可达(SV为电压强度下的灵敏度，λ为波长，V为电压)，且在安全电压内具有较好的线性度。
综上所述，本发明是利用镀膜金表面等离子体共振效应和填充电光介质的电光效应作为电传感机制，利用光子晶体光纤纤芯的定向耦合效应和填充磁光介质的磁光效应作为磁传感机制，会在输出光谱中产生两个彼此分离的共振损耗峰，从而实现电压和磁场的高灵敏度双参量传感，满足了实际运用中对光子晶体光纤传感器的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征在于：包括单模光纤、光子晶体光纤，光子晶体光纤两端与单模光纤熔接；光子晶体光纤包括基底材料和位于基底材料内的空气孔，选取一个空气孔内侧镀金属薄膜并填充电光介质，选取另一个空气孔内填充磁光介质。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述光子晶体光纤空气孔层数为三层，呈三角晶格周期排列，所选空气孔分别位于第二层空气孔的任意位置。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述基底材料为SiO2。
4.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述金属薄膜为镀膜金，镀膜金的厚度为30.0nm～50.0nm。
5.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述电光介质为液晶。
6.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤电磁双参量传感器，其特征是：所述磁光介质为磁流体。
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