基于间歇冷却方法的熔融锥形光子晶体光纤传感器研究

抽象的

基于间歇冷却方法，提出了一种稠合锥形光子晶体纤维（PCF）干涉仪。在逐渐变细，停止加热并等待在不同的锥度下冷却。重复加热和冷却，直到锥度进入预期长度。与普通熔融锥形方法相比，该传感器的透射光谱的条纹对比为15.06dB。获得不同浓度的甘油溶液中的透射光谱，研究了传感器的温度交叉敏感性。实验结果表明，随着外部折射率的增加，传感器的透射光谱转移到更长的波长。在测量甘油溶液中，传感器的折射率灵敏度可以实现797.674nm / Riu，温度敏感性仅为0.00125nm /℃。

1.介绍

光子晶体光纤[1-3.]是一种新型光纤，具有来自单模光纤的不同结构和光传输特性。包层区域由与纤维的轴向的微孔排列组成。因此，PCF具有强大的灵活结构设计，它将开辟光纤装置的生产和应用的新领域，例如没有截止日期的单模传输，大而有效的场区域，高的非线性和高双折射。

PCF的锥度技术可以改变PCF的内部结构和光学特性，具有重要的PCF器件生产的潜在价值和在传感领域的应用探索[4.那5.]。刘等。[6.]首次逐渐逐渐逐渐逐渐逐渐逐渐逐渐逐渐变细，对光学孤子频率移位进行了研究。之后，关于该理论的研究，锥形PCF的制作和应用成为学者研究的重点。Leon-Saval等人。[7.]提出了逐渐控制PCF的“快速低温”方法，然后最大限度地控制空气孔塌陷。Jasim等人。[8.]采取了火焰加热来拉伸两个紧凑的锥形区域，并且电流的Mach-Zehnder传感器的灵敏度可达40.26 / a²。并且有一份报告[9.]关于使用SMF-PCF-SMF结构的M-Z干涉仪，具有常规技术的折射率测量和截至198.77nm / Riu的最大折射率敏感性。此外，光学性质[10.-12.]，光波导耦合[13.]以及锥形PCF的超连续特征的产生[14.那15.很多学者都广泛研究。

基于传统的锥形技术，采用间歇冷却熔融锥形制作具有较大条纹对比度的干涉仪传感器，分析折射率感测特性;检测中使用的甘油水溶液的折射率敏感性高达797.674nm / Riu。与传统的锥形技术相比，其敏感性得到了大大提高。

2.理论分析

熔锥技术是将未涂布的纤维置于高温火焰中，然后将熔锥纤维的两侧同时拉伸。最后，在加热区形成一种特殊的锥形结构波导来传输光。当光束通过锥形区域传输时，分别存在分束和合束两个过程。然后整个光路就形成了马赫-曾德尔干涉仪。间歇冷却技术是指在不同的变锥长度时暂停变锥过程，冷却后继续变锥。用这种方法，火点在锥形区域形成。由于着火点区域折射率的变化会引起模失配现象，因此芯部的部分光会再次泄漏到包层中。这种漏光现象导致包层模式的有效折射率更容易受到外部折射率的影响。因此可以提高折射率的灵敏度。

通过间歇冷却的方法，PCF的一部分被拉伸为锥形结构。熔融锥形PCF传感器如图所示1。

实验中使用的PCF具有无限单模传输的优点。当PCF通过光纤熔接器与单模光纤连接时，尽量不要使PCF的空穴通过调整融合剪接参数来折叠。因此，随着通过第一点火点的光束，光耦合到PCF中仍然可以在PCF的光纤核心中传输。并且只传输基本模式。

假设存在四个点火点。当光传递到锥形区域时，核心模式逐渐地变换到包层模式，随着锥形区域的直径定期减小。作为核心模式的光能传输减少缓慢而包层模式相应地刺激。当光通过第一点火点透射时，一部分光将泄漏到包层中，并且在光传输到接下来的三个点火点时将发生相同的情况。随着输出端的锥形区域的直径增加程度​​，光能传递作为包层模式轻轻减少，并且基本模式相应地增强。当光线传递到非刀架区域时，将包层模式耦合到纤维芯中并干扰光纤核心的基本模式。干扰强度和中心波长可以表示为

在 （1），一世是总输出光强度;和是基本模式和包层模式的光强度;相位位移;是水平的中心波长m;L.干扰长度是两个融合点之间的距离;和核心折射率和包层模式有效折射率之间的差异。

当环境折射率发生变化时，包层模式有效折射率相应地改变，而核心折射率保持恒定。由外部折射率的变化引起的波长移位表示为

在 （2），是水平的中心波长偏移m;是由环境折射率的变化引起的折射率差异的变化。

它可以从(2）当干扰长度时是恒定的，干涉条纹的波长换档随着环境折射率的变化而线性变化。因此，可以通过检测水平的中心波长偏移来测量环境折射率m。

由于点火点的漏光，包层模式的能量大大提高，干扰更加明显。同时，携带外部信息进入光纤的光，并且感测区域和外部环境之间的耦合度进一步增强。因此，改善了传感器的灵敏度。

3.实验和结果

3.1。传感器生产

实验室中使用的PCF是SM-7固体芯PCF，外包层直径为125 μ.m，核心直径为7.0 μ.M带5层的空气孔和六角形结构装置，气孔直径约为2.63 μ.M，孔间距约为4.22μ.m。

二手拼接机是Fitel S178光纤熔接器，光锥机是SCS-4000光学熔化锥形系统，光源是ASE宽带光源（1520nm-1610nm），AQ6317B光谱仪用于检测传感器谱。

在制造过程中，首先，它应该调整融合器的参数，并制作具有SMF-PCF-SMF结构的传感器，其中PCF的长度为26毫米。然后，光学锥形机用于融合PCF，当长度为1毫米，3毫米，7毫米，又脱离加热和逐渐变细，直至冷却，然后开始加热和逐渐变细。在整体锥形工艺中，纤维固定在拉伸平台中，使纤维根本不能移动以确保加热区不会改变。当锥度长度达到12毫米时，逐渐变细过程将结束。PCF锥形区域长度为12毫米;锥度额外损失为12.56 dB。锥形区域的不同直径导致纤维的不同横截面，如图所示2。

3.2。甘油水溶液传感实验

甘油水溶液的构造浓度为5％〜25％，并且Abbe折射仪用于测量溶液的折射率;折射率在1.342〜1.379的范围内变化。

将锥形PCF传感器放入样品池中，用不同浓度混合甘油水溶液，直到锥形的PCF传感器完全浸入溶液中，然后测量透射光谱。在测量之前，每次必须用蒸馏水清洗PCF锥形区域。ASE光源输出功率为16 dBm。实验系统如图所示3.。

与不同浓度的甘油水溶液相对应的透射光谱的实验测量结果如图所示4.。

在图中4.，可以看出，随着甘油溶液的浓度的增加，透射光谱具有显着的变化。峰值在1590nm波长附近变化。频谱的细节如图所示5.。

如图所示5.，可以发现，随着传输浓度的增加，光谱被移位到更长的波长。由于溶液浓度范围为5％至25％，波长漂移超过20nm。在重复实验和制造数据配件时，可以获得波长换档与溶液折射率之间的关系，如图所示6.。

在图中6.随着溶液折射率的增加，干涉条纹中心波长漂移到长度长的波长方向，并且存在良好的线性关系;折射率的敏感性为797.674 nm / riu。

3.3。温度传感实验

将PCF传感器放入温度控制的烤箱中，并分别将两端连接到ASE光源（1520〜1610nm）和光谱仪。ASE光源输出功率为16 dBm。温度传感实验系统的示意图如图所示7.。

将温度控制的烘箱从20°C加热至70°C，并每10°C测量一次。当温度稳定时，用OSA检测透射光谱。在相反的温度变化时，相同的测量随着70℃至20℃的下降而变化。测量结果如图所示8.。

从图中可以看出8.传输光谱的总体趋势在不同的温度下保持不变。研究大约1597.90 nm的地区的波峰，并使数据线性配件。可以获得锥形PCF和外部温度的透射光谱波长偏移之间的关系，如图所示9.。

可以看出，当外界温度发生变化时，PCF传感器的透射谱向长波方向轻微移动，如图所示9.。温度灵敏度仅仅是0.00125nm /℃，表明间歇冷却熔融锥形PCF对温度不敏感。考虑到温度可以诱导级别的中心波长偏移对于干涉仪的透射光谱，可以根据[16.]干扰中心波长和温度之间的关系可以表示为，其中是关于干涉仪材料的热膨胀系数;对于纯SIO.₂，它是5×10^-7/°C。是温度变化引起的两种干涉模式之间有效折射率差异的变化：， 在哪里表示温度变化。因为两者都是锥形PCF中的纤维芯模式和包层模式都可以在未掺杂的PCF中传输，在纤维芯和包层的影响下，温度介入温度;因此。和热膨胀系数，×10^-7/°C，拥有一个非常小的数值。所以，，这与从图中获得的实验结果相同8.和9.。总而言之，可以得出结论，间歇冷却熔融锥形传感器干涉仪对温度不敏感。

4。结论

本文呈现使用间歇冷却熔融锥度制造干涉光子晶体纤维（PCF）传感器。为了满足该过程中的PCF熔断逐渐变细，介绍了熔化过程中的间歇冷却。与普通熔融锥度相比，多次制造锥形PCF传感器具有较大的条纹可见性。完成进一步的研究以研究具有不同折射率的外部环境的传感器响应。实验结果表明，当浸入不同浓度溶液环境中的锥形PCF传感器时，随着外部折射率的增加，中心波长显着漂移到长波长方向。在甘油水溶液中测定的折射率敏感性高达797.674nm / Riu。与普通熔融锥度法产生的锥形PCF相比，敏感性大大提高。同时，传感器的温度敏感性仅为0.00125nm /°C，这可以被认为对温度不敏感，并且可以克服折射率和温度同时测量的交叉敏感性问题。

相互竞争的利益

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

该项目得到了中国国家自然科学基金（No.61575170,61475133和61675176）的支持，是河北省的主要应用基础研究计划（No.16961701D和QN2016078），河北省自然科学基金（No. F2015203270和F2016203392），秦皇岛科技支持计划（201601B050），河北省大学青年人才项目（BJ2014057），燕山大学的“新龙城”人才项目。

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