文摘

论述了光子晶体光纤(pcf)的应用对应变和温度测量。长周期光栅传感器和纤维模态干涉传感器与传统单模同行描述和比较。air-silica PCF传感器的应变敏感性相当或高于常规单模光纤中实现,但PCF传感器的温度敏感性要低得多。

1。介绍

最近,有极大的兴趣在光子晶体光纤(pcf)的发展和相关设备和传感器。pcf通常是由组成的单个硅材料和固体或中空核心包围一个周期阵列的空气孔沿着他们的长度1]。pcf可能被视为落入两大类:index-guiding的pcf (IG-PCFs)和光子能带纤维(PBFs)。IG-PCFs,微观结构的有效折射率包层空气减少引入列低于中央核心的指标,这使得它可以指导光核心修改形式的全内反射。数据1(一)和1 (b)显示类IG-PCFs的两个例子。他们是无休止单模pcf(图1(一))[2)只支持基本模式在整个波长范围,和高双折射(Hi-Bi) pcf(图1 (b))[3)具有高双折射和低温双折射的依赖。PBFs,仅限于一个下标核心的光反射的光子晶体包层,具有平面光子带隙,不允许与特定波长光信号和传播常数摆脱中央核心。数据1 (c)和1 (d)分别显示一个air-silica PBF的空心(4)和全固态PBF硅芯和包层组成的一个数组高指数棒(Ge-doped二氧化硅)在硅矩阵(5]。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图1
不同PCF截面的扫描电子显微图。(一)large-mode-area air-silica无休止单模PCF, (b)一个air-silica高双折射色散,(c)一个air-silica空心PBF。这些pcf来自晶体纤维/ S (6(d)一个所有坚固PBF [5]。

出现新的可能性的pcf开门ultra-broadband传播,高功率光纤放大器和激光器,光纤传感器,等等。PCF传感器以各种形式展示了应变的测量7)、温度(8],折射率[9,弯曲10),和气体浓度11]。在本文中,我们描述PCF-based传感器的主要是两类,也就是说,纤维长周期光栅(液化石油气)传感器和纤维模态干涉型传感器;我们将讨论他们的应用程序对应变和温度测量。

2。长周期光栅传感器

液化石油气是由周期性扰动折射率、波导几何纵向沿光纤的长度,与一个典型的时期从几百微米到1毫米。液化石油气夫妇光共鸣地从最根本的核心模式传播包层模式。谐振波长 液化石油气的时期 是由相位匹配条件(12]: 在哪里 和 的有效指标基本核心模式和 包层模式,分别。包层模式损失高于核心模式,导致衰减透射谱的乐队。

常规单模光纤(smf) Ge-doped核心光敏和液化石油气等纤维可以通过周期性扰动形成的核心折射率通过紫外光照振幅掩模或逐点详述的写作技巧。液化石油气在smf调查广泛应用如波长过滤器,对edfa增益趋缓,传感器。

pcf通常是由一个单一的材料(硅),没有光敏性;铭文的pcf直接紫外辐照是那么困难的。然而,液化石油气在pcf已经由nonphotochemical铭文等技术的使用 激光辐照(7)、电气(电弧放电8),外部机械压力(13),和飞秒激光辐射(14]。

2.1。液化石油气在IG-PCFs

图2 (b)显示了一个液化石油气的侧视图上创建一个large-mode-area无休止单模PCF (LMA-10)截面如图2(一个)。液化石油气是使用脉冲臆造出来的 激光与描述的设置(7]。可观测的等级或凹槽了PCF的表面,表明相当崩溃的包层区域的通风。液化石油气40周期沿纤维级,和周期 。液化石油气的透射谱,如图3双共振峰值,从1200年到1700海里,对应于耦合的两个不同的包层模式。谐振波长的液化石油气的pcf被发现与光栅周期减少,相反,在一个传统的SMF。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
(一)截面的扫描电子显微图LMA-10 PCF, (b)液化石油气与周期性的照片级(7]。

图3
40-notch液化石油气的透射谱。

液化石油气与类似的透射谱如图3可以用没有可见的物理变形对pcf的表面(等级)。创建这样的液化石油气要求低 激光能量密度,在这样一个液化石油气,纤维几何是可以忽略不计的扰动和玻璃材料的指数扰动被认为扮演了一个重要的角色在液化石油气的形成。

谐振波长对拉伸应变的反应非常不同的液化石油气使用和不可见的等级(7]。图4显示了应变和温度响应的LPG(液化石油气1)如图2和类似的LPG(液化石油气2)相同的光栅长度和节距,但没有可观察到的在纤维表面等级。液化石油气2是使用相同的臆造出来的吗 激光设置液化石油气1但是较低剂量的 辐照。液化石油气的应变敏感性等级(−7.6点/ )约25倍没有物理变形(−0.31点/液化石油气 )。温度敏感的两个液化石油气大约相同。造成的不对称结构周期性级距介绍液化石油气时微弯轴向拉伸,这有效地提高了液化石油气的折射率变化与档次。的 -laser-notched pcf的液化石油气也展示了很强的偏振依赖损耗(PDL)和可以用作纤维偏振器有良好的温度稳定性(15]。大自由人民党可能归因于暴露的副作用 激光,介绍了纤维截面不对称指数剖面。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
液化石油气的谐振波长的变化等级(液化石油气1液化石油气没有等级(液化石油气)和相似2拉伸应变)和(a)和(b)温度⧫:将11的液化石油气1,▪:将12的液化石油气1,▴:将21的液化石油气2×:浸22的液化石油气2(7]。

表1列出了应变和温度敏感性的PCF-based液化石油气捏造 激光和电弧放电技术。的敏感SMF-based液化石油气也比较的表中列出。液化石油气的异常低温依赖被认为是单一的材料用于PCF的结果。作为包层和核心模式大多分布在硅,他们表现出类似的对温度变化的反应。非常小的温度敏感性使他们用于应变测量与温度交叉敏感可以忽略不计。

表1
应变和温度敏感性的液化石油气IG-PCFs通过不同的方法。
2.2。液化石油气在PBFs

液化石油气也装配式空心(HC) PBFs [19]。图5(c)显示了一个液化石油气的侧面在HC PBF (HC - 1550 - 02)周期性沿着纤维级创建。横截面,如图5(b), PBF的地区是不对称由于空气孔的崩溃和消融的一侧的玻璃纤维。包层空气孔的外环,面临的 激光辐照,在很大程度上变形;然而,很少或根本没有变形在最里面的通风和空心环核心。



图5
之前的扫描电子显微图PBF截面(a)和(b) 激光辐照。(c)周期级上创建PBF的表面。(d)液化石油气的透射光谱40期和光栅间距为430 。(e)液化石油气谐振波长与光栅间距的变化(上半部分)和相应的透射光谱(下图)(19]。

图5(d)显示了测量40-period液化石油气的透射光谱。3 dB带宽~ 5.6 nm,远小于相同数量的光栅周期的液化石油气在传统smf IG-PCFs [7,16]。液化石油气的插入损耗很低(< 0.3 dB),因为大多数光引导空气中没有观察到变形。

玻璃材料的折射率扰动和通风的变化大小、形状、位置可能导致液化石油气的形成。然而,由于大部分的光功率的基本模式( 95年 )是在空中,玻璃材料的折射率变化的影响模式指数预计将低于常规纤维和固体核心IG-PCFs。另一方面,如图5(b),通风在覆盖层的变形明显,改变空气充填分数和波导结构和扰乱字段和有效的索引模式的核心,表面上看,和包层模式。也可能有弱变形的空心,尽管它不是我们的实验中,可以观察到。我们相信波导几何结构的周期性扰动是引起共振模式耦合的主导因素,虽然诱导折射率变化也可能贡献小。

大量的液化石油气与不同的音高和相同数量的光栅周期被写在PBG纤维和光栅的谐振波长测量的功能如图5(e),谐振波长随光栅间距的增加,这是相反的液化石油气传统smf [16,17]。为每个液化石油气,两个衰减坑,如图5(e),观察在1500到1680纳米,表明的基本模式是两个不同的高阶耦合(表面)模式。

空心PBF的液化石油气的反应压力、温度、弯曲、和外部折射率测量,结果如图所示6。波长敏感株(−0.830点/ )是类似于液化石油气IG-PCFs或传统的smf(表1)和温度敏感性( 2。9 )一到两个数量级小于常规smf的液化石油气。此外,波长灵敏度弯曲3到4个数量级小于常规smf的液化石油气,是麻木不仁的外部折射率的变化。可以使用的液化石油气HC-PBF作为应变传感器没有对温度交叉敏感,曲率,和外部折射率。

(一)
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(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
(一)自由人民党PBF有或没有一个液化石油气。测量谐振波长和峰值传输衰减的液化石油气作为温度的函数(b),曲率(c)和拉伸应变(d) (19]。

液化石油气也镌刻在所有坚固PBG PCF(图1 (c)紫外线照射方法)(5]。所有坚固PBG PCF具有坚实中央石英核心区域和微观结构包层区域更高的指数 再版硅棒被嵌入到硅背景。液化石油气的共振波长红移,当温度增加经验,和温度灵敏度测量是19.1点 。这个值是高于pcf由单一物质。

干涉型传感器一直在探索感应很大程度上是因为他们的高敏感性广泛的参数。的模态干涉仪干涉相位差积累通过考虑不同纤维的有效折射率的差异模式被广泛研究。他们是有吸引力的有几个原因,包括体积小,灵活性,以及减少热敏感的细微差别的不同模式,因为他们旅行的热光系数光纤的长度相同。在本节中,根据不同类型的模态干涉仪IG-PCFs模式将描述和他们的应用程序将讨论应变和温度测量。

3.1。核心/包层模态干涉仪

核心/包层模态干涉仪利用核心之间的干扰模式和copropagating包层模式,也称为(MZI)纤维的马赫-泽德干涉。它被广泛用于波长滤波和光学传感20.,21]。在典型的MZI配置如图7,两个级联液化石油气是常用的第一个液化石油气夫妇核心模式的一部分力量到一个由包层模式和第二个液化石油气结合了两种模式,导致大幅干涉条纹。这两个液化石油气作为分光板/合路器和包层模式的核心和旅行沿着相同的纤维通过两个独立的路径。


图7
一个典型的MZI配置。

各种PCF-based MZIs已经证明与修改基本MZI配置。第一个PCF-based MZI有两个几乎相同的液化石油气是由对PCF[应用周期性的机械应力22]。另外,all-PCF MZIs也可以由offset-splicing结合局部通风的崩溃23),或者通过使用一个液化石油气结合短节PCF在通风完全倒塌(24]。液化石油气的进步写作技术通过使用脉冲 激光,液化石油气的共振波长和衰减可以精确控制,使紧凑纤维MZI低插入损耗在PCF[开发25]。

图8显示了一个纤维的波长域干涉条纹MZI由一对直接液化石油气捏造PCF的使用脉冲 激光。干涉测量应变和温度响应的峰值波长为1646 nm如图9。−2.6点/应变灵敏度 结果,同意发表在其他地方(−2.28点/ 在[1560海里23),−2.80点/ 在[1550海里24]),大约是5倍的标准SMF MZI捏造(+ 0.445点/ ,图9 (b)相同的) 激光技术和两倍的一个典型的光纤布喇格光栅(FBG)传感器。MZI的温度灵敏度测量是42.4点 米,这几乎是30倍低于MZI的SMF(1215.56点 米,图9(一个))[25]。的very small temperature sensitivity may be attributed to the single material property of the PCF, which results in similar response of the core and cladding modes to temperature. The MZI on PCF may be potentially used as a temperature-insensitive strain sensor and as stable multichannel filter with low temperature dependence.


图8
的透射谱PCF-MZI腔长度为190毫米(25]。
(一)
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(b)
(b)
图9
(一)温度响应的PCF-MZI透射谱图8(圆形点)和一个SMF-MZI输出频谱插图所示(矩形点)。实线:线性吻合。(b)应变响应的干扰峰作为应变的函数(PCF-MZI:左轴圈,SMF-MZI:正确的轴,开放广场)。固体和虚线对应的线性适合PCF-MZI和SMF-MZI25]。
3.2。双模PCF干涉仪

可以使纤维设备位于两个核心之间的干扰模式。但是需要使用双模光纤,即纤维,只支持两个核心模式,以避免干扰其他核心模式。传统突变型双模光纤进行了调查等各种设备应用波长过滤器,频换档器,开关,干涉应变和温度测量。然而,双模操作常规纤维的波长范围一般小于150纳米(26),这限制了潜在的应用双模设备。

它已经表明,air-silica IG-PCF截面类似于图1 (b)可以设计成双模光纤在整个低损耗传输窗口的石英玻璃27]。这将允许创建极宽带双模光纤设备和传感器。

我们从理论和实验上研究了模态性质的商业高双折射(Hi-Bi) PCF如图1 (b)(pm - 1550,晶体纤维/ S (6]),发现它的操作作为一个双模光纤波长范围从543到1400纳米以下,虽然导游只在1550 nm的基本模式。图10显示了四个非简并的横模场模式近似线性偏振(LP)模式在1330海里,是计算通过使用full-vector有限元方法(FEM)。通过类比椭圆芯光纤,这四个模式贴上LP01x,LP01y,LP11x(甚至)和LP11y(甚至)模式。的标x和y对应于x- - -y分别偏振。有趣的是注意到这Hi-Bi PCF能压制LP11(奇怪的)模式。双模波长范围广和稳定的叶取向可以建立稳定的双模设备和干涉传感器长纤维的长度。

(一)
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图10
(一)LP的横向电场分布01x,(b) LP11y,(c) LP01x(甚至)和(d) LP11y(甚至)模式一个Hi-Bi PCF操作为1.3μm。

双模光纤传感器使用微分干涉计划LP之间的干扰01和LP11(甚至)模式的纤维会导致不同的双凸轮在输出模式。当LP01和LP11(甚至)模式使用相同的偏振状态感到兴奋同样Hi-Bi PCF,输出辐射模式将是一个叠加的贡献两种模式,将一个函数的相对相位差 他们之间。有个变化 的 将会有一个完整的振荡强度的模式。

外部干扰,例如,应变或温度,应用于色散双模干涉导致这两个模式之间的微分相移,导致双凸轮的振荡模式。空间解调器监控的一个双凸轮模式振荡转换成一个强度变化。当只有x——或者y极化的LP01和LP11模式很兴奋在入口处,quasisinusoidal强度波形空间解调后得到。

3.2.1之上。双模PCF应变传感器

图11是一个原理图的实验装置用于研究双模PCF干涉仪的应变响应。来自激光的光耦合到一块Hi-Bi PCF (pm - 1550,晶体纤维/ S)的校准系统组成一副眼镜,一个偏振镜,光纤夹持器和五维翻译阶段。PCF的总长度 1 epoxy-bounded固定阶段和一个翻译阶段。50厘米PCF在两个阶段之间可以通过电脑控制轴向紧张翻译阶段。红外摄像机删除镜头附近放置光纤的输出远场强度的监测两种叶模式,表明在矩形区域的面板图11。或者,可以使用一个引出光纤补偿的双模PCF捡最大对比度强度的双凸轮的输出。


图11
实验设置应变测量和远场强度模式。

实验用不同的半导体激光器波长为650,780,850,980,1310 nm。图12显示了测量强度变化的叶在1310 nm PCF拉长时从0到2毫米。分别对应曲线从上到下,偏振镜组 , , 在尊重的x设在右边面板的图所示11。在 和 强度的变化是由于LP的干扰01和LP11(甚至)模式x- - -y分别偏振。在发射角 各自的PCF的原理轴,两组干预模式,对应于两个正交的偏振光,叠加,导致一个调幅波低图的图所示12。

(一)
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(b)
(b)
(c)
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图12
实验结果为不同的发射角度 , , (从上到下)28]。

的应变敏感性正交的偏振光,而被定义为的变化率两种模式之间的相位差对菌株,在图所示13。压力敏感性与光波长线性关系,和更高的灵敏度达到较长波长。


图13
应变灵敏度与波长的函数。
3.2.2。双模PCF温度传感器

用于研究的实验装置的温度响应类似于图中所示11,除了PCF的部分( 1.8 )是由把它加热烤箱内部。测量的进行x- - -y偏振。图14显示了一个示例输出的双模干涉强度在1310 nm烤箱温度的函数,输入偏振是一致的x设在。一个完整周期的强度变化对应于一个 LP之间的相位差的变化01和LP11(甚至)模式。我们注意到强度的周期振荡不是恒定的温度范围 来 ,显然是更大的在较低的温度,表明该干涉仪显示温度变化的非线性响应。温度敏感性 ,定义为相位差的变化速度 两种模式之间的温度 单位传感光纤的长度,是由 在哪里l纤维长度放入烤箱。测量平均温度敏感波长的温度范围内的功能 来 如图15。温度敏感的双模PCF传感器略有不同x- - -y偏振。和值一般小于传统的椭圆芯双模光纤(29日]。


图14
实验结果显示,周期性的强度随温度的变化。( = 1310海里, 极化)[30.]。

图15
测量的温度敏感性x偏振(圆)y偏振(明星)作为光学波长的函数。实线和虚线是测量数据的曲线拟合结果30.]。

极其广泛的双模波长范围和不同寻常的wavelength-dependent温度敏感性的双模色散为应变和温度传感器提供了一个有用的方式歧视。如图13,应变敏感性增加线性与波长和明显不同( 15 两个正交偏振)。温度敏感性有非波长(图的依赖15)和偏振是相似的。一种不依赖于温度的测量可以通过操作干涉仪实现在两个波长的温度敏感性是相同的,和一个微分测量。另一方面,可以使用双模传感器同时测量应变和温度的操作在两个正确选择光学波长。

4所示。结论

总之,PCF提供了一个新的平台,光纤传感器的发展。它允许液化石油气创建特殊的低温度系数,而应变灵敏度可以显著提高雕刻可见槽表面的纤维。的液化石油气捏造HC-PBF相比有许多优点与传统smf index-guiding pcf如对温度不敏感,弯曲,和外部折射率。也可以构造一个干涉应变或温度传感器利用基本核心之间的干扰模式和包层模式或高阶核心模式。核心/包层模式干涉传感器基于PCF的应变敏感性和较低的温度敏感性高于SMF同行。两个核心之间的干扰模式的色散可在更宽的波长范围比传统的双模纤维。双模PCF的应变灵敏度的传感器与传统的双模与光波长传感器和显示一个线性关系。双模PCF传感器的温度灵敏度系数一般小于传统的椭圆芯双模光纤传感器和非单调与光波长之间的关系,这可能是用于不依赖于温度的应变传感的操作在两个波长与温度系数。

确认

中国的一部分支持研究工作是由美国国家科学基金会通过拨款60629401,和香港特区政府通过平授予理大5182/07E。