CN109211838B - 一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器。通过优化光子晶体光纤的结构参数(空气孔直径、晶格常数、空气孔层数)，使基于此光子晶体光纤的长周期光栅工作在色散转折点附近，从而产生双谐振峰。由于双谐振峰对外界折射率的变化具有相反的灵敏度响应，因此通过监测双峰共振波长的间隔变化可以实现对外界折射率较高灵敏度的测量。此外，在光子晶体光纤表面镀一层高折射率薄膜，可以使参与耦合的包层模工作在模式转换区内。因为模式转换区内的包层模倏逝场较强，所以对外界折射率的测量灵敏度会得到进一步的有效提升。此折射率传感器具有结构可设计、超高灵敏度、低传输损耗的优点。

Description

一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅器件，该器件可以用作高灵敏度的折射率传感器。

背景技术

长周期光纤光栅传感器具有灵敏度高、结构小巧、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，长期以来一直是光纤传感领域的研究热点。当前，长周期光纤光栅传感器已被广泛用于折射率、温度、应变、弯曲等物理参量的测量，但是基于普通单模光纤的传统长周期光栅已不能满足高灵敏度测量要求，因此需要不断探索高性能指标的新型传感器。

光子晶体光纤是一种具有多层空气孔包层结构的特种光纤，其光谱传输特性可以通过灵活调节包层结构参数来实现。同时，基于纯二氧化硅基底的光子晶体光纤对外界温度变化不敏感，这一特性可以解决温度交叉敏感问题。此外，与普通单模长周期光纤光栅相比，基于光子晶体光纤刻写的长周期光纤光栅具有较高的折射率灵敏度。这些优点引起了科研工作者们的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是探究长周期光子晶体光纤光栅折射率灵敏度极限，通过优化光子晶体光纤的结构参数(空气孔直径、晶格常数、空气孔层数)，使长周期光纤光栅工作在色散转折点附近，从而产生双谐振峰。由于双谐振峰对外界折射率的变化具有相反的灵敏度响应，因此通过监测双峰共振波长的间隔变化可以实现对外界折射率较高灵敏度的测量。此外，在光子晶体光纤表面镀一层高折射率薄膜，可以使参与耦合的包层模工作在模式转换区内。因为模式转换区内的包层模倏逝场较强，所以对外界折射率的测量灵敏度会得到进一步的有效提升。此折射率传感器具有结构可设计、超高灵敏度、低传输损耗的优点。

具体技术方案为：

一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器，主体为具有周期性排列空气孔包层的无截止单模光子晶体光纤，基底材料折射率为1.44～1.46，包层空气孔直径d为0.9～1.2μm，晶格常数Λ为4～8μm，空气孔层数为4～6；光子晶体光纤表面镀有一层高折射率薄膜，其折射率为1.5～2.5，薄膜厚度为10～250nm；通过飞秒激光对光子晶体光纤纤芯折射率进行周期性调制得到的光栅周期P为6391.041μm～429.6208μm，光栅周期个数N为50～60；折射率调制深度Δn为2×10^-4～3×10^-4。

进一步地，上述包层空气孔直径d为1.2μm，晶格常数Λ为4μm，空气孔层数为6，光纤直径为49.2μm，基底材料折射率为1.45，光栅周期P为513.795μm，光栅周期个数N为55；折射率调制深度Δn为2.5×10^-4。结构优化设计的光子晶体光纤使长周期光纤光栅工作在色散转折点附近，可以实现对外界折射率较高灵敏度的测量。

进一步地，上述光子晶体光纤表面所镀薄膜的折射率为2.0，厚度为30nm。光子晶体光纤表面镀膜后，可以使参与耦合的包层模工作在模式转换区内，由于模式转换区内的包层模倏逝场被增强，所以对外界折射率的测量灵敏度会得到进一步的提高。

本发明在设计的光子晶体光纤上采用飞秒激光微加工技术刻写出长周期光纤光栅，实现在宽带波长范围内的纤芯和包层模式之间的耦合。通过优化光子晶体光纤的结构参数，使长周期光纤光栅工作在色散转折点附近，可以实现对外界折射率较高灵敏度的测量。此外，在光子晶体光纤表面镀高折射率薄膜，使参与耦合的包层模工作在模式转换区内，模式转换区内的包层模倏逝场较强，从而更容易感知外界折射率的变化。此结构提供了一种具有超高灵敏度的折射率传感器。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的一种结构优化设计的光子晶体光纤，基于此光纤的长周期光纤光栅工作在色散转折点附近，能够产生双谐振峰。由于双谐振峰对外界折射率的变化具有相反的灵敏度响应，因此通过监测双峰共振波长的间隔变化可以实现对外界折射率较高灵敏度的测量。

(2)本发明提出的长周期光子晶体光纤光栅，采用飞秒激光微加工技术来周期性调制光子晶体光纤纤芯材料折射率。光子晶体光纤表面镀高折射率薄膜后，可以使参与耦合的包层模工作在模式转换区内，由于模式转换区内的包层模倏逝场被增强，所以对外界折射率的测量灵敏度会得到进一步的提高。

(3)本发明提出的一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器，在色散转折点附近工作的镀膜长周期光纤光栅的包层模与周围介质作用较强，外界折射率的变化会引起共振波长位置的显著移动，从而使该传感器具有较高的折射率灵敏度。

附图说明

图1为光子晶体光纤结构横截面示意图；

其中，1光子晶体光纤基底材料二氧化硅；2光子晶体光纤包层空气孔；d包层空气孔直径；Λ晶格常数；D光纤直径；

图2为制备的长周期光子晶体光纤光栅结构示意图；

其中，3表面镀的高折射率薄膜；4熔接的单模光纤；5纤芯刻写的光栅；6光子晶体光纤；P光栅周期；

图3(a)为不同晶格常数对光子晶体光纤光栅折射率灵敏度的影响；图3(b)为不同晶格常数对光子晶体光纤传输损耗的影响；

图4(a)为不同包层空气孔直径对光子晶体光纤光栅折射率灵敏度的影响；图4(b)为不同包层空气孔直径对光子晶体光纤传输损耗的影响；

图5(a)为不同包层空气孔层数对光子晶体光纤光栅折射率灵敏度的影响；图5(b)为不同包层空气孔层数对光子晶体光纤传输损耗的影响；

图6在最优化结构的光子晶体光纤上刻写的长周期光栅工作在色散转折点附近。其中，(a)当外界折射率分别为1.334和1.344时，绘制的相位匹配曲线；(b)当外界折射率分别为1.334和1.344时，数值模拟的长周期光栅透射光谱；

图7高折射率薄膜对长周期光栅折射率灵敏度、光纤传输损耗的影响。其中，(a)折射率分别为1.55、1.68、2.0的高折射率薄膜厚度对长周期光栅折射率灵敏度的影响；(b)折射率分别为1.55、1.68、2.0的高折射率薄膜厚度对光子晶体光纤传输损耗的影响。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及性能优化过程作进一步的详细说明。

实施例1

一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器，通过堆积拉制法制得光子晶体光纤。该光子晶体光纤基底材料为纯二氧化硅。光子晶体光纤的端面如图1所示，包层空气孔直径d范围为0.9～1.2μm，晶格常数Λ范围为4～8μm，空气孔层数范围为4～6，光纤直径D为49.2～97μm，基底材料折射率为1.45。

通过飞秒激光微加工技术对光子晶体光纤纤芯进行周期性折射率调制，制成长周期光子晶体光纤光栅，其结构如图2所示。光栅周期P范围为6391.041μm～429.6208μm；折射率调制深度Δn为2.5×10^-4；光栅周期个数N为55。

通过探究光子晶体光纤的晶格常数对外界折射率灵敏度、传输损耗的影响，见图3(a)和3(b)。当外界折射率变化范围为1.33～1.42，包层空气孔直径为固定值1μm,空气孔层数为6，可以得到最优化的晶格常数为4μm。长周期光纤光栅的折射率灵敏度随着晶格常数的减小而增高，并且光子晶体光纤的传输损耗也随之减小。

通过探究光子晶体光纤的包层空气孔直径对外界折射率灵敏度、传输损耗的影响，见图4(a)和4(a)。当外界折射率变化范围为1.33～1.40，晶格常数为固定值4μm，空气孔层数为6，可以得到最优化的包层空气孔直径为1.2μm。长周期光纤光栅的折射率灵敏度随着包层空气孔直径的增大而增高，并且光子晶体光纤的传输损耗也随之减小。

通过探究光子晶体光纤的包层空气孔层数对外界折射率灵敏度、传输损耗的影响，见图5(a)和5(b)。当外界折射率变化范围为1.33～1.40，晶格常数为固定值4μm，包层空气孔直径为1.2μm，可以得到最优化的空气孔层数为6。长周期光纤光栅的折射率灵敏度随着包层空气孔层数的增大而增高，并且光子晶体光纤的传输损耗也随之减小。

最优化设计的光子晶体光纤结构参数为：包层具有6层空气孔，空气孔直径d为1.2μm，晶格常数Λ为4μm。在此结构的光子晶体光纤上设计长周期光纤光栅，当外界折射率为1.334和1.344时，分别绘制其相位匹配曲线，见图6(a)。由相位匹配曲线可知，当设计的光栅周期为513.795μm时，长周期光纤光栅工作在色散转折点处。数值模拟的长周期光栅光谱如图6(b)所示，当外界折射率从1.344变为1.334时，单共振峰会分裂为双共振峰，通过计算双共振峰的波长间隔可知折射率灵敏度为20490nm/RIU。

实施例2

为了进一步提高该传感器对外界折射率的测量灵敏度，将折射率分别为1.55、1.68、2.0的高折射率薄膜镀在结构优化的光子晶体光纤表面，通过对比研究不同的高折射率薄膜厚度对长周期光纤光栅折射率灵敏度、光纤传输损耗的影响，见图7(a)和7(b)，可以得到最优化的薄膜折射率为2.0，薄膜厚度为30nm。由于高折射率膜使参与耦合的包层模工作在模式转换区内，增强了其倏逝场强度，从而进一步将外界折射率的测量灵敏度提高到67600nm/RIU。长周期光纤光栅的折射率灵敏度随着薄膜厚度的增加而增高，并且光子晶体光纤的传输损耗也随之增大。

Claims (2)

1.一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅外界折射率传感器，其特征在于，主体为具有周期性排列空气孔包层的无截止单模光子晶体光纤，基底材料折射率为1.44~1.46，包层空气孔直径为0.9~1.2μm，晶格常数为4~8μm，空气孔层数为4~6；光子晶体光纤表面镀有一层高折射率薄膜，其折射率为2.0，薄膜厚度为30nm；通过飞秒激光对光子晶体光纤纤芯折射率进行周期性调制得到的光栅周期为6391.041μm~429.6208µm，光栅周期个数为50~60；折射率调制深度Δn 为2× 10^-4~3× 10^-4；通过优化光子晶体光纤的结构参数，使长周期光纤光栅工作在色散转折点附近，能够产生双谐振峰，可以实现对外界折射率较高灵敏度的测量。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤光栅外界折射率传感器，其特征在于，包层空气孔直径d 为1.2μm，晶格常数Λ 为4μm，空气孔层数为6，光纤直径为49.2μm，基底材料折射率为1.45，光栅周期P 为513.795µm，光栅周期个数N 为55；折射率调制深度Δn 为2.5×10^-4。

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