CN114001843A - 一种光子晶体光纤温度传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光子晶体光纤温度传感器及其测量方法，宽谱光源发出的光经3dB耦合器分为两束相干光，在光子晶体光纤中沿着相反的光路传输后，经过相干叠加进入光谱分析仪，得出输出光谱，再根据透射谱的共振峰峰值位置随温度的移动变化关系得出温度传感器的灵敏度。本发明采用光子晶体光纤，其具有无限截至单模传输特性、色散特性、大模场面积、高非线性和双折射特性等优越特性。在纤芯中掺入乙醇液体，提高温度传感灵敏度，在较小的传感长度下即能达到较好的温度传感效果，易于集成化与微型化。

Description

一种光子晶体光纤温度传感器及其测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光子晶体光纤温度传感器及其测量方法。

背景技术

光纤温度传感器因体积小、测量精度高、不受电磁干扰等优点而受到广泛关注，但其结构单一、双折射和热敏系数较低，限制了温度灵敏度的进一步提高。光纤温度传感器分为分布式，干涉型和光纤光栅温度传感器。由光源、敏感元件、光探测器、信号处理系统等部分组成。其基本原理是：

(1)光源入射的光进入调制区。

(2)光在通过调制区的光纤时与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光。

(3)被调制的信号光出射进入光探测器、解调器而获得被测参数，从而得出温度的变化情况。

上述传统技缺点是：

1.光纤物理特性随温度变化小，其温度灵敏度较低。

2.存在结构单一、双折射和热敏系数较低、保偏性能差等问题，影响温度测量。

导致原因：

1.普通光纤材料与结构的单一性，导致光纤中传输光的强度、波长、相位或偏振态等待测物理量随温度的变化量较小；

2.对于传统光纤由掺杂纤芯和纯石英包层组成，较难通过改善光纤结构提升传感性能。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种光子晶体光纤温度传感器及其测量方法，目的在于：

采用光子晶体光纤(Photonic crystal fiber；PCF)作为传感材料，解决如下问题：

(1)采用光子晶体光纤作为结构单元，通过灵活设计包层结构可实现结构多元化，解决传统光纤结构单一问题；通过破坏包层结构对称性有效提高PCF的高双折射率和热敏系数。

(2)通过优化设计新型PCF结构，并在填充纤芯周围的一个大椭圆空气孔33中选择性填充乙醇温敏性材料，可实现高灵敏度﹑更宽范围的温度传感。

具体的技术方案为：

光子晶体光纤温度传感器，包括宽谱光源，所述的宽谱光源连接3dB耦合器，3dB耦合器还分别连接光子晶体光纤和光谱分析仪。

光子晶体光纤内纵向分布空气孔，空气孔包括圆空气孔、大椭圆空气孔、小椭圆空气孔，空气孔外填充石英；

在横截面上，空气孔分为上下对称两部分，中间通过一排小椭圆空气孔隔离开；

圆空气孔按照三角阵列排布；

在光纤中心处，靠近小椭圆空气孔两侧的一排的空气孔中各设有一个大椭圆空气孔；

在光纤中心处周围至少有一个空气孔内填充有乙醇液体。

在纤芯附近的一个大椭圆空气孔中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两个大椭圆空气孔中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两个小椭圆空气孔中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两大椭圆空气孔、四个圆空气孔一共六个空气孔中填充乙醇液体。

宽谱光源发出的光经3dB耦合器分为两束相干光，在光子晶体光纤中沿着相反的光路传输后，经过相干叠加进入光谱分析仪，得出输出光谱，再根据透射谱的共振峰峰值位置随温度的移动变化关系得出温度传感器的灵敏度。

本发明具有的技术方案为：

1、采用光子晶体光纤，其具有无限截至单模传输特性、色散特性、大模场面积、高非线性和双折射特性等优越特性。

2、在纤芯中掺入乙醇液体，设计了一种大孔乙醇填充型高双折射光子晶体光纤3结构，提高温度传感灵敏度。

3、在PCF中填入了温敏材料，使该光纤对温度的敏感性大大提升，在较小的传感长度下即能达到较好的温度传感效果，易于集成化与微型化。

4、提出一种新型PCF-Sagnac传感器设计方案。将大孔乙醇填充型高双折射光子晶体光纤与相位干涉技术相结合，应用于Sagnac干涉仪中，设计的温度传感结构灵敏度达4.7nm/℃。

附图说明

图1为本发明的传感器结构示意图；

图2为本发明光子晶体光纤结构示意图；

图3a为本发明乙醇液体Type1填充方式

图3b为本发明乙醇液体Type2填充方式

图3c为本发明乙醇液体Type3填充方式

图3d为本发明乙醇液体Type4填充方式；

图4a为实施例四种填充方式下随着温度的变化双折射变化情况；

图4b为实施例四种填充方式下随着温度的变化限制损耗的变化情况；

图5a为实施例乙醇填充材料的影响对比；

图5b为实施例甲苯填充材料的影响对比；

图5c为实施例三氯甲烷填充材料的影响对比；

图6为实施例Λ＝1.1um时透射谱与温度的关系；

图7为实施例Λ＝1.2um时透射谱与温度的关系；

图8为实施例透射谱波谷波长与温度的变化关系；

图9为实施例d＝0.8um时透射谱与温度的关系；

图10为实施例d＝0.7um时透射谱与温度的关系；

图11为实施例透射谱波谷波长与温度的变化关系。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

本发明利用PCF气孔结构的灵活多样性，在设计的空气孔结构中选择性填充乙醇液体，当外界温度变化时光子晶体光纤的双折射随之改变，在波长1.55um处，PCF温度灵敏度可达3.825×10-5/℃。用该光纤取代sagnac环境中的常规双折射光纤，根据透射谱的共振峰峰值位置随温度的移动变化来实现温度传感。具体的技术方案如下：

如图1所示，光子晶体光纤温度传感器，包括宽谱光源1，所述的宽谱光源1连接3dB耦合器2，3dB耦合器2还分别连接光子晶体光纤3和光谱分析仪4。

如图2所示，光子晶体光纤3内纵向分布空气孔，空气孔包括圆空气孔31、大椭圆空气孔33、小椭圆空气孔32，空气孔外填充石英；

在横截面上，空气孔分为上下对称两部分，中间通过一排小椭圆空气孔32隔离开；

圆空气孔31按照三角阵列排布；

在光纤中心处，靠近小椭圆空气孔32两侧的一排的空气孔中各设有一个大椭圆空气孔33；

在光纤中心处周围至少有一个空气孔内填充有乙醇液体。

在纤芯附近的一个大椭圆空气孔33中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两个大椭圆空气孔33中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两个小椭圆空气孔32中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两大椭圆空气孔33、四个圆空气孔31一共六个空气孔中填充乙醇液体。

宽谱光源1发出的光经3dB耦合器2分为两束相干光，在光子晶体光纤3中沿着相反的光路传输后，经过相干叠加进入光谱分析仪4，得出输出光谱，再根据透射谱的共振峰峰值位置随温度的移动变化关系得出温度传感器的灵敏度。

具体的，光子晶体光纤3结构设计如图2所示，根据传统三角阵列结构，采用圆和椭圆两种包层空气孔类型，背景材料为石英，破坏结构对称性用以获得高双折射。在完成初始结构的建立后，为进一步确定该光纤的具体结构参数，达到更好的传感效果，利用COMSOL软件对该光纤的不同结构参数进行数值分析，得到的具体参数如下：

圆空气孔31直径为d＝0.9um，大椭圆空气孔33长轴直径a₁＝1.8um和短轴直径b₁＝0.8um，小椭圆空气孔32长轴直径a₂＝0.6um和短轴直径b₂＝0.2um，空气孔间距为Λ＝1um。

在波长1.55um处，初始结构的双折射高达3.86×10^-2。

设定传输波长为1.55um，分析了四种填充方式下的双折射和限制损耗与温度之间的关系，并进行结构优化和灵敏度优化。如图3a到图3d所示，Type1填充方式为在纤芯附近的一个大椭圆空气孔33中填充乙醇液体，Type2在纤芯附近的两个大椭圆空气孔33中填充乙醇液体，Type3在纤芯附近的两个小椭圆空气孔32中填充乙醇液体，Type4在纤芯附近的六个圆空气孔31中填充乙醇液体。

利用COMSOL软件分析在这四种填充方式下随着温度的变化双折射和限制损耗的变化情况，得到的结果分别如图4(a)、图4(b)所示。

从图4(a)可知，利用双折射表示温度灵敏度时，采用Type1填充方式的曲线变化较其它三种填充方式而言最为显著，且温度与双折射呈良好的线性变化关系，即在Type1情况下可得到最高灵敏度3.825×10^-5/℃；从图4(b)可知利用限制损耗表示温度灵敏度时，采用Type3填充方式的曲线变化较其它三种填充方式而言最为显著，在Type3情况下可得到x极化模式限制损耗变化量为33.449dB/m，灵敏度为0.557dB/m/℃；y极化模式限制损耗变化量为14.084dB/m，灵敏度为0.235dB/m/℃，但该数值明显低于已有PCF模型的灵敏度。综合比较，填充纤芯周围的一个大椭圆空气孔33即选择Type1填充方式时，得到的变化量最大，故采用该填充方式进行深入分析。

在PCF空气孔中填充热敏液体，这些液体受温度的影响折射率发生变化，从而改变了PCF的光学特性，不同的热敏材料折射率受温度影响的变化不同。本发明设计一种液体填充型PCF，填充液的性质对光纤的温度传感效果具有很大影响。表1列出了温敏液体材料的相关参数。

表1材料温度特性

温敏液体	熔点-沸点(℃)	折射率	热光系数(℃<sup>-1</sup>)
				甲苯	-94.99～110.63	1.475	5.273×10-4℃<sup>-1</sup>
三氯甲烷	-63.5～61.6	1.447	6.328×10-4℃<sup>-1</sup>
				乙醇	-114.3～78.4	1.352	3.94×10-4℃<sup>-1</sup>
石英	>1750	1.457	3.94×10-4℃<sup>-1</sup>

在上述选择的填充方式下，利用有限元法对填充甲苯、乙醇和三氯甲烷时PCF的温敏特性进行研究分析，得到填充不同种类温敏液体PCF的双折射随温度的变化关系，如图5所示。

从图5可知在该填充方式下，上述三种材料填充时双折射都随温度升高而增大，乙醇填充得到的温度灵敏度比甲苯填充和三氯甲烷填充更高，达到3.825×10^-5/℃，且仅乙醇填充时双折射与温度呈良好的线性关系。因此选用乙醇作为PCF的填充液体。

将此设计的PCF作为Sagnac型干涉仪的敏感元件，构成Sagnac型PCF温度传感器。该温度传感器基于光束干涉原理，将光源发出的同一束光分解为两束，并将这两束光沿着同一光路相反方向循环一周后，在屏幕上产生干涉条纹。通过在传感器中加入本发明所设计的高双折射光子晶体光纤3，使得两束正交偏振光的光程差发生变化，导致光谱的偏移，通过计算偏移量的大小来求解光的相位改变量，从而实现温度的传感。其具体结构如图1所示，宽谱光源1发出的光经3dB耦合器2分为两束相干光，在沿着相反的光路传输后，经过相干叠加进入光谱分析仪4，得出输出光谱，再根据透射谱的共振峰峰值位置随温度的移动变化关系得出温度传感器的灵敏度。

对于基于Sagnac干涉的光纤传感器来说，模式双折射越大，峰值波长也就越大。在该PCF模型中，空气孔间距和直径大小会影响热敏材料在光纤结构中的占比，进而影响包层有效折射率，改变PCF的光学特性，最终对透射谱产生影响。由此可知影响Sagnac干涉仪透射谱波谷漂移的因素主要是光子晶体光纤3包层的结构参数，最终影响温度传感性能。空气孔间距对温度传感性能的影响：

保持PCF其他结构参数不变，改变空气孔间距Λ，使其分别为1.1um、1.2um，当温度范围为20-40℃时，透射谱及其峰值波长与温度关系如图6、图7、图8所示。

从图中可知，当温度范围为20-40℃时，随着温度的增加，透射谱峰值波长向长波长方向移动，且空气孔间距的增大使红移现象更加明显，这是因为空气孔间距增大会导致纤芯偏振基模的双折射增大。图8的拟合结果表明，温度灵敏度和透射谱波谷波长随空气孔间距的增大而增大，但温度灵敏度变化小，透射峰变化大。

空气孔直径对温度传感性能的影响：

设置PCF空气孔间距Λ＝1.0um，在该条件下保持其他参数不变，只改变空气孔直径d，使其分别为0.8um、0.7um，当温度范围为20-40℃时，透射谱的透射峰与温度关系如图9、图10、图11所示。

从图中可知，当温度范围为20-40℃时，随着温度的增加，透射峰向长波长方向移动，且空气孔直径的增大使红移现象更加明显，这是因为空气孔间距增大会导致纤芯两种偏振基模的双折射增大。图11的拟合结果表明，温度灵敏度和透射谱波谷波长随空气孔直径的减小而增大，且透射峰峰值波长呈线性增大。

经过上述分析，发现PCF空气孔间距和直径都会对温度灵敏度和透射峰产生影响，但温度灵敏度变化范围较小，透射峰峰值波长范围改变较大，为了适用合适的宽光谱光源，可选择不同空气孔直径的PCF制作Sagnac干涉仪，温度灵敏度最高达4.7nm/℃，且温度灵敏度都能达到4.0nm/℃。

Claims (3)

1.光子晶体光纤温度传感器，其特征在于，包括宽谱光源，所述的宽谱光源连接3dB耦合器，3dB耦合器还分别连接光子晶体光纤和光谱分析仪。

光子晶体光纤内纵向分布空气孔，空气孔包括圆空气孔、大椭圆空气孔、小椭圆空气孔，空气孔外填充石英；

在横截面上，空气孔分为上下对称两部分，中间通过一排小椭圆空气孔隔离开；

圆空气孔按照三角阵列排布；

在光纤中心处，靠近小椭圆空气孔两侧的一排的空气孔中各设有一个大椭圆空气孔；

在光纤中心处周围至少有一个空气孔内填充有乙醇液体。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于，在纤芯附近的一个大椭圆空气孔中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两个大椭圆空气孔中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两个小椭圆空气孔中填充乙醇液体，或者在纤芯附近的两大椭圆空气孔、四个圆空气孔一共六个空气孔中填充乙醇液体。

3.根据权利要求1或2所述的一种光子晶体光纤温度传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：宽谱光源发出的光经3dB耦合器分为两束相干光，在光子晶体光纤中沿着相反的光路传输后，经过相干叠加进入光谱分析仪，得出输出光谱，再根据透射谱的共振峰峰值位置随温度的移动变化关系得出温度传感器的灵敏度。

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