文摘

我们回顾研究光子晶体光纤模态干涉仪与强调不同的传感应用程序的特征,使他们有吸引力。这种干涉仪的制造进行了不同后处理技术,如光栅铭文,圆锥形或裂开,拼接。一般光子晶体光纤干涉仪具有低热敏感性而他们的应用程序范围从传感应变或温度折射率和挥发性有机化合物。

1。介绍

光学干涉仪已经发挥了重要作用在基础和应用研究在过去两个世纪。著名的杨氏双缝干涉实验中,例如,提供实验支持光的波动理论物理学重要后果,光学,和科学。另一方面,亚伯拉罕迈克耳逊展示了高分辨率的干涉仪用于计量时的应用。

光纤技术提供了许多自由度和一些优势,如稳定性、密实度,没有移动部件,建设不同类型的干涉仪(1- - - - - -3]。不同类型的纤维存在,可用于构建干涉仪。两种不同的方法通常随之而来。一个由分割和重组两个单色光束传播在不同纤维。这些双臂光纤干涉仪通常需要几米和一个或两个耦合器(1- - - - - -3]。其他方法包括利用两种模式之间的相对相位位移,一般前两个模式LP₀₁和LP₁₁,或者是他₁₁和他₂₁。基于后一种方法被称为干涉仪模态干涉仪。这些固有优势手臂同行相比。自传播模式在同一路径,环境波动的敏感性降低。此外,唯一需要控制的两个或两个以上的模式。模态干涉仪的紧性和简单性在许多研究小组获得了相当大的关注。这里我们回顾迄今报告的不同选择构建全光纤模态与光子晶体光纤(pcf)干涉仪。这些纤维的特点是一个复杂的微观通风模式在横向平面上运行所有的纤维(4,5]。多洞的结构给了pcf独特的引导机制和模态特性与常规光纤是不可能的。因为这个原因我们只关注PCF模态干涉仪。

pcf的独特属性感兴趣传感器社区。许多世界各地的研究小组调查了不同的方案,利用色散的特性或结构,开发新的光学传感器。像一个传统光纤的传播属性PCF能被外部调制参数如压力,温度和压力。然而,他们也可以调制与液体或气体渗透进了PCF的空隙,看到例如[6]。因此,需要研究新的方案,利用色散的特性,开发新的光学传感器。PCF-based干涉仪的建设特别是有趣的是由于他们的高灵敏度和广泛的应用。作者的最好的知识,第一次尝试构建一个干涉仪PCF被麦克弗森et al .(2001年报告7]。他们使用了双核光子晶体光纤的两个核心扮演。武器的马赫-泽德干涉此后其他作者报道各种干涉仪由不同类型的pcf在两种模式之间的相对相位位移是利用。

两种模式可以在一段短的PCF兴奋或标准光纤在关键的启动和极化条件下对光学传感是不切实际的(8- - - - - -13]。为了克服这些缺点,PCF的微观结构只能用来支持两种模式(14),或使用长周期光栅,圆锥形或拼接技术。PCF的有趣的特征模态干涉仪建造后技术密实度,温度敏感性低,波长范围广泛的操作,随着时间的推移和高稳定性。这些属性都是重要的明确的测量干涉仪的阶段,因此参数被感觉到。不同的方法构建紧凑的模态与pcf干涉仪将在以下的段落将复审强调不同的传感应用程序的特征,使他们有吸引力。

2。色散光纤环镜

一个配置已被广泛研究由一个结构相对较短长度的偏振保持(PM)或高双折射(Hi-Bi)色散光纤环镜插入,见图1。这个配置也被称为萨尼亚克干涉仪。基本上,在这种干涉仪的输入波3-dB耦合器分为两个。通过相同的波导两种模式counterpropagate然后他们随后重组同样的耦合器。由此产生的透射谱是由相对相位差引入两个正交引导模式。之间的相位差模式取决于波长、双折射,下午和HiBi的长度或纤维。counterpropagating的干扰模式将建设性或破坏性的,这主要取决于波导的双折射。萨尼亚克干涉仪透射谱的大约是波长的周期函数。平均波长间隔之间的连续传输峰值,被波长,集团HiBi光纤的双折射PCF Hi-Bi或点的长度。萨尼亚克干涉仪的另一个优点是,它通常展品高消光比是有用的跟踪干扰峰的位置。

图2显示了理论透射谱超过20 nm的萨尼亚克干涉仪由50厘米的商用Hi-Bi PCF为参见[15]。计算条纹间距的函数PCF的长度也会显示。比较的相应的萨尼亚克干涉仪由点纤维,商业上称为熊猫光纤(为海里),图中给出。自从Hi-Bi双折射色散一般比传统的Hi-Bi纤维萨尼亚克干涉仪将展览更短时间比用标准光纤。这个属性有助于构建更紧凑的萨尼亚克与pcf干涉仪。

注意,萨尼亚克干涉仪的两种干扰模式暴露在相同的环境。这使得干涉仪对环境温度。与传统偏振保持光纤(蝶形领结、椭圆芯或熊猫),其中包含至少两个不同的眼镜每一个都有不同的热膨胀系数,从而导致传播波的极化随温度、色散的双折射是高度对温度不敏感,因为它是由一个单一的材料。因此temperature-insensitive萨尼亚克干涉仪与pcf预计建造。由不同的独立实验的研究人员证实低温敏感性(0.3点/)在这种类型的干涉仪15,16]。萨尼亚克的研究进行热灵敏度干涉仪透露,Hi-Bi和PM pcf,分别对温度的依赖性小30和45倍比常规纤维同行(15,16]。

temperature-insensitive传感器基于PCF萨尼亚克干涉仪的发展是自然的。到目前为止不同的传感器应变等物理参数,压力或曲率已经被证明15- - - - - -20.]。这些传感器的敏感性严重依赖PCF的类型。例如,应变传感器具有敏感性,从0.23到1.2点/(16,17),而他们的热灵敏度很低,0.3点/的订单。然而,当与其他光纤应变传感器PCF萨尼亚克干涉仪相比可能并不是真正的竞争。他们需要几厘米的PCF,从8.6到56厘米,这是近一个数量级以上,流行的光纤光栅应变传感器。另一个缺点是高造成的损失时拼接Hi-Bi PCF标准光纤和内在PCF的损失。的总体损失可以10 dB的顺序。

最近,一种新型Hi-Bi光子晶体光纤组成的一半区域由大直径孔和另一半包含小直径孔(见图1在萨尼亚克)提出了弯曲传感干涉仪(20.]。发现传感器表现出最大灵敏度大洞时被压缩。对温度不敏感和纵向应变也被观察到。也是一个光子带隙与椭圆芯PCF在萨尼亚克对应变和温度传感干涉仪(21]。这些近期作品反映的各种可能性,pcf提供构造萨尼亚克干涉仪。

3所示。与长周期光栅干涉仪建造

长周期光栅(液化石油气)是一个周期的核心折射率调制比波长大得多(22]。液化石油气用于诱导模式一个平行的传播核心之间的耦合模式(LP₀₁(LP)和包层模式_0米),离散波长。液化石油气的透射谱展品蘸在相对应的波长共振与不同包层模式。共振波长取决于液化石油气的周期(通常用)和之间的差异的核心和包层模式的有效折射率。由于这些模式传播速度在不同的阶段,因此,纤维干涉仪可以实现一对LPGs-they首次研究了使用传统的光纤,看到例如[23- - - - - -30.]。一个流行的配置是使用两个相同的液化石油气在级联,见图3。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重组两种模式。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。由此产生的干涉图样的干涉仪形成两个液化石油气系列展览锋利的干涉条纹。一个好的近似条纹间距可以给在哪里是核心和包层模式和有效折射率区别光栅之间的分离(24]。

构建干涉仪的想法与液化石油气外推到pcf,但与传统Ge-doped单模纤维,其中UV-induced液化石油气是可以伪造的,pcf没有光敏性,因为它们是由纯石英。因此新方法制造干涉仪与液化石油气在pcf被探索。一个LPG-based干涉仪背后的基本思想是,一半的基本资讯₀₁核心模式应该被耦合到包层模式的第一个液化石油气和一半的包层模式应该在第二个液化石油气耦合回核心模式。因此,对于一个all-PCF干涉仪,形成两个3-dB液化石油气与相同的透射光谱。很难形成两个相同的3-dB液化石油气不仅在PCF还在标准光纤。

方法达到液化石油气的光子晶体光纤由紧迫PCF与一个周期的一部分槽板(31日,32]。槽板的长度和时间以及它的宽度决定了PCF的横向压力。纤维表面的周期性压力诱发周期指数纤维的变化。模式的核心之间的耦合模式的效率随压力和包层模式。液化石油气与适当的长度和时间选择,模式耦合发生在预定的波长(31日,32]。这种技术的优点是,它很容易形成两个相同的液化石油气,因此,很容易控制干涉仪的属性。然而,控制手册,严重限制了设备的再现性。

作为替代上述方法的组合偏差拼接点(MSP),提出了液化石油气形成all-PCF干涉仪(32]。MSP可以形成,例如,通过使用一个商业熔接器在手动操作。夫妻的MSP作为分光器的一部分core-mode电力进入包层模式,这样它可能取代的第一个液化石油气形成一个干涉仪一对液化石油气。原则上MSP的形成容易,此外,它是永恒的。另一种替代方法相结合,提出了由一个液化石油气和短地区的PCF冰层的崩溃(33]。在这种情况下,液化石油气是印的电弧放电熔接器通过使用逐点详述的技术。空气孔的PCF倒塌在微观区域像一个元素结合起来制成的。由于液化石油气和倒塌的部分是永久性的非常敏感的干涉仪可以有效地实施。通过调整倒塌的地区之间的分离和液化石油气干涉仪的光谱性质,特别是干涉条纹间距,可以很容易地控制。这种类型的干涉仪研究了应变传感应用。1.8点/的敏感性发现这是略高,典型的灵敏度的光纤光栅(1.2点/)[33]。

最近LPG-based PCF干涉仪的制造是演示了通过使用高频光栅的题词有限公司₂激光(34]。通过控制两个液化石油气的耦合系数3 dB,锋利的干涉条纹由于相干混合的核心和周围的包层模式得到液化石油气的谐振波长。温度和应变测量干涉仪的敏感性。前者等于42.4点/被发现每米这表明两者之间的分离液化石油气的25毫米的干涉仪只能1.06点/展览的敏感性。压力敏感性被发现2.6点/这是高于萨尼亚克或者光纤光栅干涉仪。

应该指出,PCF的类型LPG-based干涉仪的首选是所谓的无休止单模PCF的横截面图所示3。在这个pcf表明在1550海里可以在27到5.5 nm之间分离光栅之间从3到15厘米不等。这意味着紧凑干涉仪可以用液化石油气制作的优势,不需要耦合器。LPG-based PCF干涉仪的一些缺点是相对较高的插入损耗。后来源于造成的损失与SMF PCF的拼接,PCF微观结构的变形雕光栅,扰乱或崩溃点,等等。所有这些因素也会导致干涉仪稍微扭曲的干涉条纹。这可能会使困难的位置跟踪干扰峰或蘸在传感应用中是至关重要的。

4所示。干涉仪建立锥形pcf

PCF结合逐渐减少技术可能导致紧凑干涉仪与有趣的特性。逐渐减少基本上由拉伸纤维虽然在局部区域加热。当逐渐减少色散光纤的直径和冰层的相对大小可以按比例缩小,根据色散设计这些变化有多个应用程序,看到的,例如,(35- - - - - -39]。在圆锥形PCF的空洞可以故意倒塌在加热区和有趣的特性使干涉仪。这个想法是演示了一些年前由目前的作者和合作者之一(40- - - - - -45]。通过崩溃的空气孔,短带色散转换为一个坚实的赤裸裸的多模光纤,见图4。因此,的基本模式色散耦合模式的固体纤维。模式之间的跳动让锥度与波长的传播表现出一个振荡模式。通过控制锥直径和长度可以定制干涉仪的性能以类似的方式比传统基于锥形纤维(46,47]。逐渐减少双核心光纤或光子能带PCF还允许干涉仪的发展(48,49),但在这些情况下PCF的空洞没有倒塌。

干扰模式中观察到锥形pcf与冰层的倒塌的后果模式耦合和跳动现象。单模多洞的纤维逐渐变成了一个坚实的赤裸裸的多模光纤的直径和长度(或反之亦然),见图4。的收缩带锥度的根本₁₁模式的PCF夫妇多模光纤模式支持。的模式的传播常数。在该地区的锥形PCF的定径模式击败或干扰,但没有发生耦合。后传播这样一个跳动长度模式积累相位差。锥形的扩张区重组的多种模式固体纤维PCF的核心模式。因此,一个锥形PCF,倒塌的通风可以被视为一个干涉仪。收缩和扩张区相当于耦合器或束器和殴打地区的模式可以视为干涉仪的武器。这些模态的透射光谱干涉仪也表现出一系列的最大值和最小值,类似于萨尼亚克的干涉仪或LPGs-based的。然而,对于厚蜡烛()与波长干涉图样不呈现正弦(40- - - - - -44]。如果PCF锥形直径3到5微米之间,那么只有两种高阶模式(他_05年和他₀₆)生存45]。条纹间距(在这种情况下),被源的波长,有效折射率的不同模式参与和干涉可以采取锥腰的长度。两个高阶模式是大;因此,这段时间的干涉图样PCF microtaper可以很短,即使是紧凑的设备。

在PCF microtapers约两个数量级或大于或LPG-based或萨尼亚克PCF干涉仪,如上所述。

图5显示了估计时间锥直径的函数值。它可以指出,干涉仪纳米甚至事实上条纹间距是可以伪造的。图,例如,显示了透射谱观察5米设备的条纹间距只有1.4纳米,即在更短的波长,边缘会更近一些。这些特性是重要的遥感应用程序从狭窄的边缘或山峰的帮助来提高传感器的精度和分辨率。

PCF中的模式蜡烛到外部介质很敏感。干涉图样可以转移,如果外部折射率变化表明,蜡烛可以用于refractometric应用程序(40]。在图的插图6我们显示,观察到30的透射光谱米锥不同折光指数的外部介质。图中还显示了最高峰的位置的函数索引。它可以指出设备展览更大变化的指数外部介质色散的方法。在1.435 - -1.448范围内的转变50 nm这表明一项决议的顺序可以实现(假设100点的转变可以解决)。在长波长分辨率可能更高40),但优势更短的波长(大约850海里)是具有成本效益的光源和光谱仪是商用。结果如图6证明PCF taper-based折射率传感器基于其他技术可以与他人竞争。

如果一个锥形PCF也受到应变干涉图样的变化,从而使可能的应变传感器的发展(41]。这些应变传感器的灵敏度相当高(5.3点/),而动态范围非常广泛。菌株8000是在(41]。温度敏感性被发现的12点/PCF蜡烛的一个显著特征是,他们可以承受超高温度,1000以最小的退化,从而使可能的高温度的传感(42]。

除了物理参数taper-based PCF干涉仪还可以利用天然气和化学传感自隐失波模式及外部环境(43]。可以涂上固体区域的锥形透气型层可以创造不同气体的检测。检测低浓度的氢在室温下了一层薄薄的Pd沉积在锥形的腰。最近表明,如果3环的空气孔构成的PCF锥形3 - 5微米,纤维变得敏感,一些化合物而不需要任何透水材料(45]。图7例如,显示了5的反应米厚锥形空气和暴露于蒸气时异丙醇及丙酮。它可以观察到干涉模式转向更长的波长。红移也观察到当锥被暴露在蒸汽乙酯和甲醇、二氯甲烷、氯仿(45]。在所有情况下的干扰模式是挥发性有机化合物的仪器被移除时回到原来的位置。

5。干涉仪建立通过小孔崩溃

最近,基于微孔的新型干涉仪崩溃已经证明(50- - - - - -55]。这种方法真的很简单,因为它只涉及裂开和拼接,流程可以执行在任何光导纤维实验室。这些干涉仪的关键元素是一个微观区域的孔隙PCF完全崩溃了。基本上,倒塌的地区是允许两种模式在PCF的激发。上诉的干涉仪用这种方法制作的设备可以用于各种各样的应用程序从传感应变(和所有的参数都可以翻译成应变)或温度折射率(若)和挥发性有机化合物(挥发性有机化合物的仪器)。此外,设备紧凑,强劲,随着时间的推移和高度稳定。审讯的发光二极管(LED)和传统的光纤布拉格光栅(FBG)审问者或频谱分析仪或可调谐激光器和一个可以使用光电探测器。

众所周知,两个PCF拼接在一起,或PCF和传统的光学纤维,与标准电弧法,PCF完全崩溃的通风在附近的拼接56,57]。倒塌的区域的长度通常是不到300年或400年m。这不是融合拼接的一个严重的缺点,因为它可能会引入最小损失。短的地区的空洞的崩溃使得基本PCF模式展开,因为它达到一个空心纤维,见图9。扩大的基本模式可以通过使用高斯光束近似估计(56]。根据光纤的模场直径(打)(传播)的方向取决于波长()引导光的折射率的介质(纯硅在我们的例子中),和光斑大小(),

如果我们假设固体地区开始= 0,见图9固体区域的最后,让我们说根据(1),显示几乎四倍的时间米,一式三份m。这意味着扩大模式不达到崩溃的表面区域,因此不敏感到外部介质。在 300年m PCF的放大模式达到一块长度在这两种模式可以兴奋。在图9例如,我们展示的横向分量电场的两个核心模式。使用有限元方法进行计算(COMSOL多重物理量)用于索引配置基于5-ring PCF如图8。硅指数建模使用已知Sellmeier方程而洞是等于1的索引(空气)为1.1。PCF后,兴奋的方式达到另一个固体块玻璃,即其他倒塌PCF的结束。他们将因此进一步衍射和重组为核心模式通过随后的SMF的过滤或色散。自从模式传播速度在不同的阶段,因此在一定长度的PCF模式积累一个微分相移。相速度和相位差wavelength-dependent;因此,光功率传输(或反射)的设备将特定波长的最大和最小。

到目前为止据不同的配置见图8。第一个架构,PCF的证明由两个倒塌的区域分开几厘米(50,51]。后来短节提出了PCF纵向夹在标准单模光纤(52,53]。这个配置的优点是,PCF的模态特性是利用但审讯进行传统的光学纤维,从而导致更具成本效益的干涉仪。最近,一个存根PCF的分裂最终融合拼接在单模光纤的远端证明(54,55]。在这种情况下,干涉仪在反射和运营一个循环器或耦合器需要查询设备。指出属性是很重要的,因此干涉仪的应用取决于PCF的类型。

制成的干涉仪通过小孔崩溃展览真正正弦和稳定的干涉光谱观察到在一个广泛的波长范围(800海里)。图10例如,显示了干涉图样中观察到设备在传输和反射模式下操作。期或条纹间距()这些干涉仪/ (),被模式的有效折射率差异参与干涉。这样的模式可以两个核心模式或核心和包层模式,这取决于使用的PCF。PCF的长度或倒塌的地区之间的长度,参见图吗8。期间或在这些干涉仪条纹间距之间很容易与PCF的长度可以控制两个拼接。

PCF干涉仪通过微制造的倒塌展览一些光学传感的重要功能,是重要的。一般的性能、稳定性和温度依赖性的模态干涉仪关键取决于元素的激发和重组的模式。在干涉仪通过微孔坍塌的激发和复合模式进行固定和稳定的拼接。随着时间的推移这些不降低或温度,因此干涉仪与高稳定性是可行的。他们的热灵敏度取决于PCF的类型使用以及纤维的长度。很低,它可以从5到10点/ºc .可能需要在某些应用程序中没有温度补偿。例如,在图11我们展示的转变作为应用应变的函数中观察到设备制造5-ring PCF在不同的温度下的10.53厘米。注意,干涉仪的行为相似,表明不需要温度补偿。这个设备是2.6点的应变灵敏度/这是高于其他PCF干涉应变传感器。

如前所述,干涉仪的特性取决于PCF的微观结构。例如,通过拼接组成的PCF七环的孔(LMA-8从晶体纤维),然后核心和包层模式感到兴奋53,54]。包层模式,例如,敏感的外部环境,从而使可能的检测样品表面的PCF。在这种情况下,交互与包层模式自核心模式仅仅是孤立的从外部环境。包层模式与外部的交互指数变化,因此相位差。因此,干扰高峰和低谷的位置变化,或者说干扰模式转变。因此通过监测干涉图样波长偏移可以推断出外部折射率及其变化。例如,图的插图12显示了透射光谱超过30 nm观察在干涉仪捏造mm时在空气中(1)的折射率和液体指数为1.330。数据还显示变化的测量作为外部函数索引。值得注意的是,可以测量的折射率范围相当广泛,从1.33(水环境)到1.44(生物分子)。估计的分辨率在1.40 - -1.44范围内(53]。

当干涉仪在反射模式新颖的传感应用程序成为可能。例如,一个反射而制成的干涉仪融合拼接5-ring PCF的存根(见图8)的远端标准光纤(康宁SMF-28)可以用来检测不同的挥发性有机化合物在室温下。关键的一点是要让空洞的PCF允许渗透一些气体,化学蒸汽,或分子。干扰模式的化合物之间的相互作用发生在第一环的空洞的总量picolitters范围(55]。图13例如显示一个干涉仪的转变37毫米时暴露于蒸气的丙酮在封闭和开放。图(13日)是由蒸发收集5l(丙酮在一个封闭的容器。这种转变会增加由于蒸汽的存在。曲线高原这一事实表明,美国商会是密封好。图13 (b)75年被蒸发收集L(丙酮在一个开放的容器。注意,干涉仪浸透由于有限的体积的空洞。他们可以房子最大数量的分子。干涉仪慢慢回到原来的位置,表明设备的可逆性。设备的响应时间很长,因为在正常情况下实验。此外,丙酮蒸汽的渗透进了PCF的微观孔隙扩散过程,通常是缓慢的。

我们想指出,不同纤维的组合形成干涉仪在多年调查(58- - - - - -61年]。在这些情况下,拼接是至关重要的,因为它决定了分裂和/或重组的干涉光束或习俗。纤维的选择两种模式的兴奋也至关重要。

6。结论和展望

光子晶体光纤在光纤技术的前沿。这些纤维提供了不同的可能性为光纤传感领域证明了不同的报道在过去的几年里工作。pcf的制造提供不同的选择模态干涉仪,萨尼亚克和马赫曾德耳——或者Michelson-like的。他们中的大多数也可以使用标准光纤实现但pcf给他们重要的优势如热灵敏度低,波长范围广泛的操作,或高稳定性。然而,其他情况下不与常规纤维。干涉仪利用衍射引起的短地区孔隙倒塌,举例来说,是全新的。在这种情况下的微观结构的色散充分利用。,因此,毫不奇怪,如果一些干涉仪综述结束作为创新的商业产品在不久的将来,或者至少代表老问题的新解决方案(温度补偿)的光学传感。

确认

这项工作进行的金融支持西班牙通过grant tec2006 MEC - 10665 /麦克风和“·拉蒙-卡哈尔”计划。作者感谢弗拉基米尔·p·Minkovich和d . Monzon-Hernandez宝贵的帮助。