CN112285060A - 双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器 - Google Patents

双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器 Download PDF

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Abstract

一种双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，包括具有高双折射的双芯微结构光纤、光纤耦合器、偏振控制器和连接双芯微结构光纤和耦合器之间的单模光纤。将1.33‑1.38折射率范围的液体填充在双芯微结构光纤的右纤芯包层中的空气孔中，传感器的宽带光源光谱覆盖0.6～1.7μm范围，通过实验分别计算左右两个纤芯内LP01模式的X和Y方向的两个偏振模干涉光谱随填充液体折射率增大的变化规律，左右两个纤芯的光谱响应呈相反趋势折射率范围内分别得到了‑2200nm/RIU和10000nm/RIU的高灵敏度。

Description

双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体而言是涉及一种双芯光子晶体光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，属于折射率传感领域。
与传统的折射率传感器相比，该传感器具有更高的稳定性和更高的灵敏度。
背景技术
传感器作为一种检测装置被广泛地应用于生物医学、石油化工、人工智能、环境监测等领域。近年来各个领域的科研人员都对其进行了深入的研究。其中光纤传感器与传统的传感器相比具有稳定性高、抗电磁干扰、耐腐蚀、鲁棒性好、体积小等优点，更加重要的是其能与飞速发展的计算机技术相结合，使光纤传感器不管在航天航空领域还是在生物医学领域和环境监测领域的测量都有着越来越重要的地位，其研究也具有更加的广泛性。
微结构光纤具有丰富的模式特性、结构设计灵活、可集成性等特点被运用于光纤传感。不同的微结构光纤的包层中具有排列不同的空气孔贯穿整个光纤的长度，这些排列不同的空气孔使微结构光纤具有了不同的光传播的特性。所以常用到微结构光纤传感器进行压力、温度、折射率、振动等外界参量的测量。在这些测量中对液体折射率的测量尤为重要。
微结构光纤折射率传感器的种类很多，常见的有光纤光栅，基于光纤表面等离子体共振和拉锥微纳光纤等。但这些传感器都具有需要昂贵的调制解调设备或复杂的微制造技术，测得的灵敏度不高等缺点。因此需要设计一种双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器。
发明内容
本发明目的是提供一种双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，以解决现有的折射率传感器灵敏度不高的问题。
本发明技术的方案是：一种双芯微结构光纤模间干涉型折射率传感器，包括填充待测液体的微结构光纤、单模光纤、3d耦合器和偏振控制器；将1.33～1.38折射率的样品选择性地填充在双芯微结构光纤的空气孔中，双芯微结构的一端通过单模光纤与3d耦合器相连，另一端先连接一个偏振控制器，再将偏振控制器的一端与3d耦合器相连，耦合器的一端与光源相连，从光源出发的光通过耦合器传输进微结构光纤；另一端再与光谱测量仪相连。
本发明的具体原理是：所述双芯微结构光纤的包层具有七层空气孔阵列组成六边形状，空气孔阵列中间引入两个缺陷形成两个石英纤芯，纤芯周围一圈空气孔直径大于剩余空气孔，将待测液体填充在右纤芯包层中的空气孔中，这样不对称的填充方式使其具有较高的双折射特性，两个纤芯中的基模两个方向的偏振模式之间都存在较大的有效折射率差，实验测得两个纤芯基模的双折射，得到可以对比的两组干涉谱图及其波长偏移拟合图。使该结构的测量数据更加稳定准确。具体实验原理为将范围为0.6～1.7μm波长的光从光源出发通过耦合器分成两束光，一束光顺时针方向通过偏振控制器，偏振方向旋转90度；另一束光逆时针方向传播，两束光在双芯微结构光纤纤芯的传输速度不同从而在耦合器中形成干涉。
一种双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，包括具有高双折射的选择性填充的双芯微结构光纤、光纤耦合器、偏振控制器，所述具有高双折射的选择性填充的双芯微结构光纤一端通过单模光纤与所述光纤耦合器的一端相连，另一端通过另一单模光纤经过所述偏振控制器与所述光纤耦合器的另一端连接，所述光纤耦合器的另外两端分别与光源和光谱仪相连接，在1.38折射率填充右纤芯周围空气孔时，该双芯微结构光纤左右两个纤芯的LP01模式分别得到了-2200nm/RIU和10000nm/RIU的高灵敏度。
所述双芯微结构光纤的基底材料为纯二氧化硅材料，在所述基底材料上有七层空气孔组成六边形状阵列形成包层，六边形阵列具有两个缺陷，所述两个缺陷形成两个纤芯，纤芯周围的空气孔直径大于其余包层空气孔，靠近两个纤芯的空气孔直径为1.8μm，其余空气孔直径为1.6μm，两个空气孔之间的间隔为5μm，包层半径为62.5μm与单模光纤半径相同，便于更好地连接。
双芯微结构光纤的任何一个纤芯周围的一半空气孔中填充有液体样品。
右纤芯包层中所有的空气孔中填充有液体样品，使该微结构光纤具有良好的双折射特性。
左纤芯包层中所有的空气孔中填充有液体样品，使该微结构光纤具有良好的双折射特性。
两个纤芯中的基模两个方向的偏振模式之间都存在较大的有效折射率差，实验测得两个纤芯基模的双折射曲线，且随填充折射率的变化呈相反的变化趋势，得到可以对比的两组干涉谱图及其波长偏移拟合图，同时产生双重干涉使该结构的测量数据更加稳定准确。
本发明具有如下优点：
(1)双芯微结构光纤相较于传统光纤具有更高的双折射和更好的稳定性。
(2)双芯微结构光纤的两个纤芯的基模具有不同的模式有效折射率差值，可以方便地提供实验结果对比。
(3)微结构光纤的空气孔作为待测液体的通道，能够防止样品被环境污染而导致的纯度降低影响实验结果，以及能够减少样品的消耗量。
(4)模间干涉型传感器很好的解决了模式之间的调制与解调的问题，节省了实验的时间。
附图说明
图1是本发明所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器的结构示意图。
图2是液体选择性填充的双芯微结构光纤的截面图。
图3(a)是选择性填充的双芯微结构光纤右纤芯的双折射变化示意图，图3(b)是左纤芯的双折射变化示意图。
图4(a)是选择性填充的双芯微结构光纤基于Sagnac干涉仪的右纤芯的干涉光谱图,图4(b)为左纤芯的干涉光谱图。
图5(a)是双芯微结构光纤右纤芯干涉光谱图波谷随波长变化的灵敏度曲线图,图5(b)为左纤芯干涉光谱图波谷随波长变化的灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度传感器，包括宽带光源1、光谱测量仪2、光纤耦合器3、一个偏振控制器4和选择性填充1.33-1.38折射率的双芯微结构光纤5。双芯微结构光纤的一端直接与光纤耦合器相连，一端连接一个偏振控制器，偏振控制器另一端在与耦合器相连接，耦合器的另外两端分别与一个光谱范围在0.6～1.7μm的宽带光源和一个显示干涉结果的光谱测量仪连接。
双芯微结构光纤的结构示意图，如图2所示，在该光纤结构的包层6设置了七层空气孔构成六边形状，将靠近两个石英纤芯7的11个空气孔8设置半径为1.8μm，其余空气孔9的半径略小于上述空气孔，设置为1.6μm；任意两个空气孔之间的距离为5μm，该光纤的包层半径为62.5μm与单模光纤半径相同，使其更好的与单模光纤匹配连接。为了获得更高的双折射，将1.33-1.38折射率的液体填充进右纤芯包层所有的空气孔，填充结果如图阴影部分所示。
将折射率范围为1.33-1.38的液体选择性填充在该双芯微结构光纤的右纤芯所在包层的所有空气孔中，该填充了不同折射率液体的微结构光纤通过单模光纤和光纤耦合器相连接形成了Sagnac干涉型传感器，双芯微结构光纤作为传感头。在该干涉型传感器中，光源通过单模光纤传输入耦合器后，被分成两束光分别沿顺时针和逆时针方向传输通过双芯微结构光纤，两束光传播一周后再回到耦合器时，由于选择性填充的双芯微结构光纤的双折射效应，两束光此时会积累一定的相位差，从而产生干涉。填充进微结构光纤的液体的折射率变化会引起两个纤芯的有效折射率也随之产生变化，使得两个纤芯中LP01模式的双折射曲线偏移最终导致其干涉光谱特性发生改变，通过对干涉光谱的计算研究，就能实现对填充液体的折射率的解调与测量。该双芯微结构光纤两个纤芯中LP01模式在X和Y方向的两个偏振模态之间的相位差的余弦值分别在特定波长处接近于1，使得在这些波长附近的干涉光谱特性对折射率的变化极其敏感，从而具有超高的折射率灵敏度的传感特性。
对该双芯微结构光纤的右纤芯填充1.33-1.38折射率的液体后，增大了该光纤的不对称性，从而加强了其双折射特性，其基于Sagnac干涉仪的透射谱为：
Figure BDA0002739725780000031
其中L为该双芯微结构光纤的长度；B为模式双折射量，具体表示为LP01模式X和Y两个偏振模式的有效折射率差值，B＝nx-ny；
干涉波谷的位置满足下面的条件：
Figure BDA0002739725780000032
干涉光谱随着波长变化的自由光谱范围(FSR)为：
Figure BDA0002739725780000033
其中Bg为群双折射，为
Figure BDA0002739725780000034
自由光谱范围(FSR)受到光纤双折射和干涉长度的影响，双折射和干涉长度的增大会使自由光谱范围减小。
如图3(a)所示，是该双芯微结构光纤右纤芯的LP01模式X和Y两个正交方向的双折射随波长变化的规律图，在折射率范围为1.33-1.38中，其变化趋势为随着波长的增大逐渐增大，在达到一定波长值以后增大速度减小，双折射数值达到10-4数量级；在该折射率范围内，随着折射率的增加同一波长下的双折射逐渐减小。图3(b)为左纤芯内LP01模式的双折射随波长变化的图，其具有比右纤芯更高的双折射量级10-3。并且在1.33-1.38折射率范围内双折射随着波长的增大呈现单调递增的趋势；在该折射率范围内，随着折射率的增加同一波长下的双折射逐渐增大。
图4(a)是在干涉长度为11.5cm时,折射率为1.33-1.38时的该双芯微结构光纤右纤芯的基于Sagnac干涉仪的透射光谱图，在波长1000nm处，随着折射率的增大干涉光谱的自由光谱范围由420.1nm增大到了1402.5nm，图中干涉光谱的波谷的位置随着折射率的增大出现了红移的现象，这是由于在特定的波长下该纤芯的LP01模式的双折射随着折射率的增大而减小，图5(a)是光谱波谷随折射率增大的波长漂移量的拟合图，拟合度为98.043％，图中每一个点代表在该折射率下波谷偏移的范围，对这些点进行微分计算便能得到这个波谷的灵敏度值，在折射率为1.38时，计算得到了最高的灵敏度为10000nm/RIU。
图四(b)是同样在干涉长度为11.5cm时,折射率为1.33-1.38时的该双芯微结构光纤左纤芯的基于Sagnac干涉仪的透射光谱图，在波长1500nm处，随着折射率的增大干涉光谱的自由光谱范围由53.6nm减小到了46.2nm，图中干涉光谱的波谷随着折射率的增大发生了蓝移现象，这是由于从图4(b)中可以看到在特定的波长下该纤芯的LP01模X和Y方向的偏振模式的双折射随着折射率的增大而增大，图5(b)是其偏移量的拟合图，其拟合度为99.991％，通过计算得到了在1.38折射率情况下最高的灵敏度为-2200nm/RIU。
通过实验可以发现在同一Sagnac干涉仪光路装置中，左右纤芯内分别可以进行一套Sagnac干涉，由于左右纤芯的LP01模式的双折射存在差异，且二者双折射曲线随填充折射率的变化趋势相反，使得两套Sagnac干涉同时发生，相互嵌套，最终会导致混合干涉光谱中不同干涉峰随填充折射率的变化呈现相反的漂移响应，根据干涉峰漂移的方向即能判断并确定出左右纤芯的模式变化规律，从而解调出填充液体的折射率值。该传感器不仅具有较高的折射率灵敏度，还具有双重解调的特点，能大大提高折射率测量的稳定性和准确度。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，其特征在于，包括具有高双折射的选择性填充的双芯微结构光纤、光纤耦合器、偏振控制器，所述具有高双折射的选择性填充的双芯微结构光纤一端通过单模光纤与所述光纤耦合器的一端相连，另一端通过另一单模光纤经过所述偏振控制器与所述光纤耦合器的另一端连接，所述光纤耦合器的另外两端分别与光源和光谱仪相连接，在1.38折射率填充右纤芯周围空气孔时，该双芯微结构光纤左右两个纤芯的LP01模式分别得到了-2200nm/RIU和10000nm/RIU的高灵敏度。
2.根据权利要求1所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，其特征在于，所述双芯微结构光纤的基底材料为纯二氧化硅材料，在所述基底材料上有七层空气孔组成六边形状阵列形成包层，六边形阵列具有两个缺陷，所述两个缺陷形成两个纤芯，纤芯周围的空气孔直径大于其余包层空气孔，靠近两个纤芯的空气孔半径为1.8μm，其余空气孔半径为1.6μm，两个空气孔之间的间隔为5μm，包层半径为62.5μm与单模光纤半径相同，便于更好地连接。
3.根据权利要求1所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，其特征在于，双芯微结构光纤的任何一个纤芯周围的一半空气孔中填充有液体样品。
4.根据权利要求3所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，其特征在于，右纤芯包层中所有的空气孔中填充有液体样品，使该微结构光纤具有良好的双折射特性。
5.根据权利要求3所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，其特征在于，左纤芯包层中所有的空气孔中填充有液体样品，使该微结构光纤具有良好的双折射特性。
6.根据权利要求1所述的双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器，其特征在于，两个纤芯中的基模两个方向的偏振模式之间都存在较大的有效折射率差，实验测得两个纤芯基模的双折射曲线，且随填充折射率的变化呈相反的变化趋势，得到可以对比的两组干涉谱图及其波长偏移拟合图，同时产生双重干涉使该结构的测量数据更加稳定准确。
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