選擇性填充光子晶體光纖的高靈敏溫度傳感

尤承杰,施偉華

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210023)

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選擇性填充光子晶體光纖的高靈敏溫度傳感

尤承杰,施偉華

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210023)

摘要:為了研制具有更高靈敏特性的溫度傳感器,文章提出利用光子帶隙效應(yīng),在PCF(光子晶體光纖)中選擇性填充熱敏液體實(shí)現(xiàn)高靈敏溫度傳感。應(yīng)用全矢量平面波展開法計(jì)算光纖帶隙,帶隙及其寬度隨溫度規(guī)律性漂移。當(dāng)在包層空氣孔中選擇不同位置和結(jié)構(gòu)填充熱敏液體時(shí),發(fā)現(xiàn)僅填充內(nèi)層空氣孔時(shí),帶隙隨溫度漂移造成的變化率最大。當(dāng)在包層第一層空氣孔中填充熱敏液體,晶格周期Λ=9μm,空氣填充率分別選取d/Λ=0.9和d/Λ=0.5時(shí),帶隙邊界波長檢測和帶隙寬度檢測的溫度靈敏度分別可達(dá)到22.07和7.01 nm/℃,具有精確度高和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:光纖光學(xué);光子晶體光纖;溫度傳感器;選擇性液體填充;光子帶隙

0　引 言

PCF(光子晶體光纖)溫度傳感利用了其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和空氣孔的可填充性,具有抗電磁干擾、集傳感與傳輸于一體、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和高危環(huán)境下監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)[1-2],受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和高度重視。2009年,Yu[3]等人在全反射型PCF包層空氣孔中填充乙醇液體,設(shè)計(jì)了一種基于強(qiáng)度調(diào)制的全反型PCF溫度傳感器,靈敏度達(dá)到0.315 d B/℃; 2013年,Peng[4]等人通過控制PCF后處理過程中的空氣孔塌陷,提出了一種基于液體選擇性填充的PCF溫度傳感器,溫度靈敏度達(dá)到-5.5 nm/℃; 2014年,Hsu[5]等人提出了基于液體填充的PCF邁克爾干涉儀,靈敏度也有所提高?？偟目磥?PCF溫度傳感的研究工作主要基于全內(nèi)反射型PCF,檢測機(jī)制主要為光強(qiáng)損耗檢測和干涉頻譜波長檢測。光強(qiáng)損耗檢測影響因素多、誤差較大;而相對精度較高的干涉型頻譜檢測則存在設(shè)備復(fù)雜等問題。本文基于PCF的帶隙效應(yīng),采用帶隙邊界波長及寬度檢測機(jī)制,有效提高了檢測精度和靈敏度,通過熱敏液體選擇性填充PCF的包層結(jié)構(gòu)并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度高靈敏度傳感。

1　光子帶隙效應(yīng)原理及數(shù)值計(jì)算方法

1.1光子帶隙效應(yīng)的原理

研究發(fā)現(xiàn),在帶隙型PCF內(nèi)存在溫致帶隙壓縮和漂移[4,6]效應(yīng),即在填充熱敏液體的帶隙型PCF內(nèi)存在帶隙位置隨溫度變化而漂移的現(xiàn)象,體現(xiàn)為帶隙的起始波長與截止波長的變化;與此同時(shí),還存在帶隙相對寬度的變化。

熱敏液體的折射率隨溫度的變化關(guān)系可表示為

式中,T為工作溫度;α為液體的熱敏系數(shù);T0為某一已知溫度,n0為該溫度下液體的折射率。光纖基底材料選用石英時(shí),其熱敏系數(shù)比較小,約為8.6× 10-6℃-1,可以忽略熱膨脹對基底材料形狀和折射率的影響[7]。對于石英芯PCF,當(dāng)包層空氣孔中填充高折射率的熱敏液體時(shí),溫度的變化會(huì)引起液體折射率的變化,相應(yīng)的帶隙邊緣波長會(huì)發(fā)生漂移,邊緣波長的變化與溫度變化前后的液體折射率、石英的折射率有關(guān)[8]。

1.2數(shù)值計(jì)算方法

為研究帶隙效應(yīng)對應(yīng)的邊緣波長漂移,采用平面波展開法分析PCF的光子帶隙結(jié)構(gòu)。應(yīng)用布洛赫定理,將電磁場在倒格子空間以平面波形式展開,計(jì)算周期結(jié)構(gòu)的光子能帶[9-10]。光子晶體的介電常量ε(r)、電矢量E(r)和磁矢量H(r)為周期函數(shù),結(jié)合布洛赫定理將其展開為傅里葉級數(shù),再將倒格子空間的展開式代入特征方程,得到

式中,k為簡約波矢,G為倒格矢,w為單色光波的頻率,c為真空中的光速。

通過標(biāo)準(zhǔn)矩陣對角化方法,求出矩陣的特征值和特征向量,可以得到光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)以及電磁場在空間的分布。在空氣孔中選擇性填充高折射率液體,破壞了PCF的完整周期性,需要根據(jù)不同填充的方式定義不同超晶胞進(jìn)行求解。

2　仿真結(jié)果與分析

2.1液體填充PCF溫度傳感特性研究

本文選取商用的寬帶單模PCF結(jié)構(gòu),其具體參數(shù)如下:基底材料為石英,空氣填充率d/Λ=0.5,晶格周期Λ=5μm,空氣孔直徑d=2.5μm,層數(shù)為5 層;橫截面如圖1所示。填充液體選取Cargille實(shí)驗(yàn)室研制的聚合物折射率液Cat.19340,室溫(25℃)時(shí)其折射率為1.5143,熱敏系數(shù)為0.000 393℃-1[8]。聚合物液體線性膨脹系數(shù)較小,溫度在20～80℃范圍內(nèi)變化時(shí)由熱敏液體膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力較小,可忽略不計(jì)。

圖1　PCF橫截面示意圖

當(dāng)空氣孔未填充時(shí),實(shí)心PCF屬于折射率引導(dǎo)型光纖;在空氣孔中填入高折射率材料后,轉(zhuǎn)變成光子帶隙引導(dǎo)型光纖[11]。當(dāng)空氣孔全填充時(shí),第一帶隙邊界波長隨溫度變化如圖2所示。

圖2　帶隙邊界波長隨溫度變化曲線

熱敏液體的熱敏系數(shù)為正值,溫度升高使得填充液體有效折射率減小,從而導(dǎo)致包層周期結(jié)構(gòu)的有效折射率隨之減小。

2.2液體選擇性填充影響溫度傳感特性的分析

在PCF空氣孔中填充熱敏液體可以有效地提高溫度靈敏度,而填充液體的位置會(huì)進(jìn)一步影響溫度傳感特性。為此分別對圖1中PCF包層的第一層、第二層、第三層、第一和二層、第二和三層、全填充聚合物折射率液Cat.19340的情況進(jìn)行比較,得出帶隙邊界波長以及帶隙寬度特性的變化,分別如圖3、圖4所示。

圖3　帶隙邊界波長隨6種不同填充結(jié)構(gòu)變化曲線

不同的液體填充結(jié)構(gòu)會(huì)造成帶隙漂移及帶隙寬度的改變,當(dāng)包層空氣孔選擇性填充高折射率的熱敏液體時(shí),由于纖芯基底為Si,而包層同時(shí)有高折射率柱及空氣孔低折射率柱,此時(shí)該光纖的導(dǎo)引機(jī)理應(yīng)為單帶隙+全內(nèi)反射導(dǎo)引型,即為空氣孔包層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的全內(nèi)反射型和高折射率液體包層結(jié)構(gòu)導(dǎo)

致的帶隙導(dǎo)引型的混合作用[12],不同的填充情形造成混合作用的變化,從而改變了帶隙和溫度靈敏度。

從上述仿真計(jì)算及其擬合結(jié)果可知:相同溫度時(shí),在同一填充層數(shù)(一層或兩層)下帶隙邊界波長越長,帶隙寬度越大,溫度靈敏度越高;填充第一層的帶隙邊界波長、帶隙寬度均大于填充其他結(jié)構(gòu),填充第一層時(shí)溫度靈敏度最高。在僅填充一層熱敏液體時(shí),相比于填充外層空氣柱,填充內(nèi)層第一層空氣柱時(shí),帶隙邊界波長向長波方向移動(dòng)、帶隙寬度增大、溫度靈敏度增加;在圖3、圖4中,帶隙邊界波長變化對應(yīng)的溫度靈敏度可達(dá)9.92 nm/℃,而帶隙寬度變化對應(yīng)的溫度靈敏度可達(dá)5.46 nm/℃。

2.3結(jié)構(gòu)參數(shù)影響溫度傳感特性分析

決定帶隙結(jié)構(gòu)的是PCF包層的晶格排列結(jié)構(gòu),主要參數(shù)為填充率和晶格周期Λ。選擇熱敏液體填充包層內(nèi)層第一層,取Λ=5μm,改變空氣填充率,仿真25℃時(shí)帶隙特性的變化,結(jié)果如圖5所示。

圖4　帶隙寬度隨6種不同填充結(jié)構(gòu)變化曲線

圖5　晶格周期一定,帶隙隨空氣填充率變化曲線

當(dāng)填充率較小時(shí),布拉格散射(Bragg Scattering)起主導(dǎo)作用;而當(dāng)填充率比較大時(shí),米散射(Mie Scattering)起主導(dǎo)作用,從而使光子帶隙寬度呈先增大后減小的趨勢[13];當(dāng)空氣填充率為0.5時(shí),對應(yīng)位置的帶隙寬度達(dá)到最大。帶隙邊界波長隨填充率增加而增大。

據(jù)此,在設(shè)計(jì)溫度傳感器光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),應(yīng)根據(jù)所選擇的檢測機(jī)制(邊界檢測或?qū)挾葯z測)來確定空氣填充率的大小,以獲得更高的溫度靈敏度:若選擇帶隙邊界波長檢測機(jī)制,可考慮選取大空氣填充率(0.8～0.9)的PCF;若選擇帶隙寬度檢測機(jī)制,則應(yīng)選取空氣填充率為0.5左右的PCF。

接著考慮晶格周期對溫度傳感特性的影響。在熱敏液體只填充第一層的前提下,取PCF的空氣填充率為0.5,晶格周期為3～9μm,仿真得到25℃時(shí)帶隙特性隨晶格周期的變化曲線如圖6所示。

圖6　空氣填充率一定,帶隙隨晶格周期變化曲線

可以發(fā)現(xiàn),帶隙的邊界波長和寬度均隨晶格周期的增大呈線性增長。這是由于其他因素不變使得PCF中傳播模式的歸一化頻率V=2πΛ/λ未有變化,推出截止帶隙邊界波長λm=2πΛ/V只與晶格周期Λ有關(guān),因此Λ的線性增大,使其帶隙邊界波長λ也線性增長,相應(yīng)的帶隙寬度也就線性增寬了。

據(jù)此,選擇晶格周期較大的PCF時(shí),其溫度傳感特性也就相對更好。但也要考慮制備和與傳統(tǒng)光纖熔接的問題,因此晶格周期不可過大,防止包層厚度過大。以本方案的5層空氣孔結(jié)構(gòu)為例,晶格周期選取8～9μm為宜。

在帶隙邊界波長檢測機(jī)制下,選取空氣填充率d/Λ=0.9,晶格周期Λ=9μm,熱敏液體選擇僅填充第一層。此時(shí),溫度靈敏度達(dá)到了22.07 nm/℃,如圖7所示。

圖7　優(yōu)化方案帶隙邊界波長隨溫度變化的曲線

在帶隙寬度檢測機(jī)制下,選取d/Λ=0.5,Λ= 9μm,熱敏液體選擇僅填充第一層。此時(shí),溫度靈敏度達(dá)到了7.01 nm/℃,如圖8所示。

圖8　優(yōu)化方案帶隙寬度隨溫度變化的曲線

3　結(jié)束語

采用全矢量平面波展開法對液體選擇性填充PCF的溫度傳感特性進(jìn)行了計(jì)算和分析。當(dāng)熱敏液體在包層空氣孔中選擇不同位置和結(jié)構(gòu)填充時(shí),光纖為空氣孔包層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的全內(nèi)反射型和高折射率液體包層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的帶隙導(dǎo)引型的混合作用;發(fā)現(xiàn)僅填充內(nèi)層空氣柱時(shí),隨溫度改變的熱敏液體折射率對帶隙漂移造成的變化率最大;晶格周期一定時(shí),隨著空氣填充率的增大,帶隙出現(xiàn)紅移,帶隙寬度先增大然后逐漸變小;空氣填充率一定時(shí),帶隙的邊界和寬度基本上隨晶格周期的增大呈線性增長。最終通過仿真結(jié)果得出,在帶隙邊界波長檢測和帶隙寬度檢測兩種檢測機(jī)制下,溫度靈敏度可分別達(dá)到22.07和7.01 nm/℃,前者有較高的靈敏度,而后者一定程度上可以消除無關(guān)因素的干擾,減小誤差。本文的工作將有利于選擇性填充PCF及傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和研究。

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Temperature Sensing Based on Selective-Filled PCF

YOU Cheng-jie,SHI Wei-hua
(School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Abstract:For the development of a temperature sensor with still higher sensitivity,this paper proposes to selectively fill thermosensitive fluid into the PCF by using the photonic bandgap effect so as to achieve highly sensitive temperature sensing.It calculates the bandgap using the full vector plane wave expansion method and the bandgap and its width drift regularly with temperature.When the thermosensitive fluid is selectively filled in the different locations and structures of the cladding air holes it is found that when only the inner air holes are filled,the variation caused by the bandgap with temperature drift is the maximum;When the 1st-layer air holes of the cladding is filled with the fluid,the lattice periodΛ=9μm and air-filling ratio are repectively selected as d/Λ=0.9 and d/Λ=0.5,the temperature sensitivity in bandgap boundary wavelength detection and band-gap width detection can be 22.07 and 7.01 nm/℃respectively,which shows the advantages in high accuracy and simple system structure.

Key words:fiber optics;PCF;temperature sensor;selective liquid filling;photonic bandgap

中圖分類號:TN253

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0055-04

收稿日期:2015-07-25

作者簡介:尤承杰(1991-),男,江蘇蘇州人。碩士研究生,主要從事光纖傳感方面的研究。

通信作者:施偉華,副教授。E-mail:njupt_shiwh@126.com

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.017