選擇性填充光子晶體光纖應(yīng)變特性研究

于文兵,田 婕,王 英

(1.上海電機(jī)學(xué)院工業(yè)技術(shù)中心,上海 201306; 2.武漢工程大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430073)

?

選擇性填充光子晶體光纖應(yīng)變特性研究

于文兵1,2,田 婕2,王 英2

(1.上海電機(jī)學(xué)院工業(yè)技術(shù)中心,上海 201306; 2.武漢工程大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢 430073)

微結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，通過(guò)填充光敏等功能材料，具有可調(diào)諧、全光纖結(jié)構(gòu)和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，是光纖光子器件發(fā)展的重要方向.毛細(xì)管法將高折射率的匹配液，填充到空心光子晶體光纖中鄰近纖芯的空氣孔中，兩端熔接單模光纖，制成高靈敏的應(yīng)變傳感器.實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)填充30mm長(zhǎng)，折射率為1.508的匹配液時(shí)，測(cè)得應(yīng)變靈敏度約為每應(yīng)變4.36pm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符，這種裝置可用于高靈敏的應(yīng)變傳感.

光纖光學(xué)；光子晶體光纖；選擇性填充；應(yīng)變測(cè)量

1 引言

光纖應(yīng)變傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于橋梁、隧道、軌道、油氣管道和水庫(kù)大壩等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，一般光纖應(yīng)變傳感器較多使用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)和光纖法布里-帕羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)傳感器.紫外曝光法寫入的光纖布拉格光柵傳感器在高溫下的穩(wěn)定性差，通常最高溫不超過(guò)400℃，并且存在溫度與應(yīng)變的交叉影響[1～3]，不適合高溫應(yīng)變測(cè)量.光纖法布里-帕羅傳感器由于體積小、線性度好、應(yīng)變靈敏度高和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，成為橋梁監(jiān)測(cè)和壓力測(cè)量等應(yīng)變測(cè)量的主要傳感器之一[4，5]，但光纖F-P傳感器存在光損耗大、模式不匹配和腔長(zhǎng)短等不利因素，同時(shí)也無(wú)法克服溫度對(duì)應(yīng)變的交叉影響大的缺點(diǎn)[6].

光子晶體光纖區(qū)別于傳統(tǒng)光纖具有無(wú)截止單模傳輸、可調(diào)節(jié)色散、高雙折射、大有效單模面積和高非線性有效小面積等特性，成為國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱門課題[7～9].通過(guò)對(duì)光子晶體光纖包層或纖芯中的空氣孔進(jìn)行摻雜或選擇性填充材料來(lái)實(shí)現(xiàn)一些具有獨(dú)特性能的器件，如在光子晶體光纖纖芯中填充液晶材料,利用液晶的溫度特性實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的溫度傳感器[10]，在光子晶體光纖空氣孔中填充金屬或半導(dǎo)體[11]產(chǎn)生一些新的光學(xué)特性.本文研究在光子晶體光纖空氣孔中選擇性填充溫度系數(shù)小的匹配液，應(yīng)用于高靈敏應(yīng)變傳感領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)溫度影響小、靈敏度高的應(yīng)變傳感測(cè)量.

2 光子晶體光纖傳感器模式耦合原理

光子晶體光纖傳感器的工作原理，可用定向耦合器的標(biāo)準(zhǔn)耦合模式理論來(lái)解釋.在選擇性填充的PCF中，芯區(qū)模與包層模之間的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)不存在模式耦合，圖1中的填充孔a靠近纖芯b，填充孔和纖芯不再獨(dú)立傳導(dǎo)模式，可以看成引入了微擾，每個(gè)傳導(dǎo)模式可在空氣孔和纖芯中分布，當(dāng)兩個(gè)纖芯模式在一定的頻率達(dá)到了相同的相位速度時(shí)，微擾達(dá)到了最大值.用平面波展開(kāi)法得到微擾方程，考慮兩個(gè)模式耦合，得到雙芯光纖模式耦合方程[12]：

(1)

(2)

方程式(1)和(2)中，A(z)和B(z)分別是填充孔和纖芯中的輸入能量，κab(ba)是互耦合系數(shù)，Ma(b)是自耦合系數(shù)，βa(b)是傳播參數(shù)，z是傳播距離.

當(dāng)填充孔和纖芯比較接近的時(shí)候，同時(shí)，兩個(gè)模式的振幅發(fā)生周期性變化，模式的能量在兩個(gè)模式之間周期性交換耦合，沿z方向傳播時(shí)，能量從纖芯b到填充孔a需要的傳播距離zm=π/2κab；當(dāng)兩個(gè)模式遠(yuǎn)離耦合點(diǎn)時(shí)，互耦合系數(shù)κab(ba)減小，填充孔和纖芯中傳導(dǎo)的模式，一個(gè)為高能量模式另一個(gè)為低能量模式.

利用有限元方法數(shù)值計(jì)算圖1結(jié)構(gòu)中的纖芯和填充孔中的模式色散特性，色散曲線如圖2所示，填充液的折射率略高于二氧化硅的折射率，從色散曲線可以看到a、b兩個(gè)模式的耦合在一定的耦合波長(zhǎng)λc下才能發(fā)生，在波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于λc時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)光孔近似可以看做是兩個(gè)獨(dú)立的波導(dǎo)，互相作用很??；當(dāng)波長(zhǎng)在λc附近時(shí)，兩個(gè)模式的有效折射率非常接近，而a、b兩個(gè)模式在兩個(gè)導(dǎo)光孔內(nèi)都有很強(qiáng)的模式分布；當(dāng)波長(zhǎng)大于λc時(shí)，a、b兩個(gè)模式的導(dǎo)光位置發(fā)生了互換，模式a到了纖芯b的位置導(dǎo)光.由圖2中的1440nm至1510nm 處的2條色散曲線的放大圖可以看到，并沒(méi)有交點(diǎn)，僅僅在1485nm處相聚最近.由于耦合器微擾的存在，這2條曲線分裂成了相互靠近但不相交的曲線.在相聚最近的點(diǎn)是耦合器的最佳工作點(diǎn)，這個(gè)波長(zhǎng)下兩個(gè)孔內(nèi)的能量分布相當(dāng).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

應(yīng)變實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，安楊公司的寬帶光源光譜范圍為400nm～1600nm，光子晶體光纖采用NKT公司的商用LMA-10光子晶體光纖，光纖空氣孔平均直徑為3.04μm，孔距為6.26μm，選取靠近纖芯的空氣孔a，用毛細(xì)管法填充美國(guó)Cargille公司的折射率為1.508的匹配液，使其高于LMA-10使用的硅玻璃折射率1.445，填充長(zhǎng)度為30mm.在選擇性填充的光子晶體光纖的兩端，纖芯對(duì)纖芯熔接普通單模光纖，透射光譜由一臺(tái)高精度光譜儀OSA(AQ6370C，YOKOGAWA，Japan)掃描檢測(cè).實(shí)驗(yàn)前，將PCF的涂覆層剝離，固定于兩個(gè)間距120cm的高精度微動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)微動(dòng)平臺(tái)使光纖處于預(yù)拉緊狀態(tài)，逐步調(diào)節(jié)微動(dòng)平臺(tái)，測(cè)試應(yīng)變.

開(kāi)始時(shí)，將PCF置于恒溫平臺(tái)上，溫度穩(wěn)定在室溫，通過(guò)光譜儀觀測(cè)到在1250～1650nm的波長(zhǎng)區(qū)域，沒(méi)有明顯的諧振峰.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，纖芯模和填充模之間的諧振波長(zhǎng)，在室溫時(shí)遠(yuǎn)小于1250nm，所以觀察不到諧振峰.經(jīng)過(guò)1小時(shí)溫度穩(wěn)定后，以30μm為單位調(diào)節(jié)微動(dòng)平臺(tái)，沿光纖軸線拉伸PCF，引起軸向應(yīng)變，繼續(xù)沿軸向拉伸，記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，取應(yīng)變分別為0、225μm、450μm、670μm的4組數(shù)據(jù)，用光譜儀記錄透射光譜曲線如圖4所示.當(dāng)以每30μm應(yīng)變，測(cè)量室溫下填充光子晶體光纖的透射譜線，得到損耗峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，重復(fù)3次取平均值，繪制其應(yīng)變曲線如圖5所示.數(shù)據(jù)和曲線表明，選擇性填充的PCF的應(yīng)變重復(fù)性好，靈敏度約為4.36pm/με，沒(méi)有滯后現(xiàn)象.

由耦合理論可知，纖芯中的傳導(dǎo)模經(jīng)過(guò)一個(gè)單位耦合長(zhǎng)度Lc會(huì)耦合到填充模，經(jīng)過(guò)下一個(gè)耦合長(zhǎng)度Lc，光能量將返回到纖芯.填充長(zhǎng)度過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，都有可能使傳感器失效.為此，應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中我們換用另一根填充50mm長(zhǎng)的PCF，兩端熔接同樣的普通單模光纖，按應(yīng)變0、225μm、450μm、670μm重做上述實(shí)驗(yàn)，觀察透射光譜如圖6所示，繪制應(yīng)變曲線如圖7所示，數(shù)據(jù)顯示其應(yīng)變靈敏度約為3.77pm/με.但在透射光譜圖6中，靠近右端出現(xiàn)了損耗峰，這是由于填充模式經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合長(zhǎng)度部分光能量返回到纖芯模，說(shuō)明耦合長(zhǎng)度應(yīng)該小于50mm.

4 結(jié)論

對(duì)利用選擇性填充的PCF制作的光纖傳感器，本文填充適當(dāng)長(zhǎng)度的溫度敏感系數(shù)低的匹配液，研究其應(yīng)變特性，結(jié)果顯示在不超過(guò)耦合長(zhǎng)度下，PCF具有應(yīng)變靈敏度高、溫度不敏感和重復(fù)性好的特點(diǎn).常溫下，溫度對(duì)應(yīng)變靈敏度的交叉影響小，沒(méi)有滯后現(xiàn)象，這種傳感器能滿足常溫高靈敏度的應(yīng)變測(cè)量的需要，具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值.

[1]朱濤,饒?jiān)平?莫秋菊,等.溫度/應(yīng)變/扭曲三參量同時(shí)測(cè)量低成本傳感系統(tǒng)[J].光子學(xué)報(bào),2006,35(5):655-658.

Zhu Tao,Rao Yunjiang,Mo Qiuju,et al.Low costsensing system for simultaneous measurements of temperature strainand torsion[J].Acta Photonica Sinica,2006,35(5):655-658.(in Chinese)

[2]喬學(xué)光.光纖布拉格光柵傳感器應(yīng)力和溫度同時(shí)測(cè)量時(shí)的誤差分析[J].光電子·激光,1998,9(5):272-274.

Qiao Xueguang.Error analysis of simultaneous strain and temperature measurement with optical fiber Bragg grating sensor[J].Journal of Optoelectronics·Laser,1998,9(5):272-274.(in Chinese)

[3]Grayson A C R,Shawgo R S,Johnson A M,et al.A BioMEMS review:MEMS technology for physiologically integrated devices[J].Proc IEEE,2004,92(1):6-21.

[4]甘雄,朱永,章鵬,等.石板坡長(zhǎng)江大橋多通道光纖法布里-帕羅應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)[J].中國(guó)測(cè)量技術(shù),2008,34(1):128-130.

Gan Xiong,Zhu Yong,Zhang Pen,et al.Multi-channel fiber optical Fabry-Perot strain testing system for the shibanpoyangtze river bridge[J].China Measurement Technology,2008,34(1):128-130.(in Chinese)

[5]L M Hu,C C Chan,X Y Dong,et al.Photonic crystal fiber strain sensor based on modified Mach-Zehnder interferometer[J].IEEE Photonics Journal,2012,4(1),114-118.

[6]張曉晶,武湛君,張博明,等.光纖布拉格光柵溫度和應(yīng)變交叉靈敏度的實(shí)驗(yàn)研究[J].光電子·激光,2005,16(5):566-569.

Zhang Xiaojing,Wu Zhanjun,Zhang Boming,et al.Experimental study on cross-sensitivity of temperature and strain of fiber optic Bragg gratings[J].Journal of Optoelectronics·Laser,2005,16(5):566-569.(in Chinese)

[7]Ningliang Liu,Yuhua Li,Ying Wang,et al.Bending insensitive sensors for strain and temperature measurements with Bragg gratings in Bragg fibers[J].Optics Express,2011,19(15),13880-13891.

[8]饒?jiān)平?黎宏,朱濤,等.基于空芯光子晶體光纖的法-珀干涉式高溫應(yīng)變傳感器[J].中國(guó)激光,2009,36(6):1484-1492.

Rao Yunjiang,Li Hong,Zhu Tao,et al.High temperature strain sensor based on in-line fabry-perot interferometer formed by hollow-core photonic crystal Fiber[J].Chinese Journal of Lasers,2009,36(6):1484-1492.(in Chinese)

[9]Ying Wang,C R Liao,D N Wang.Femto second laser-assisted selective infiltration of microstructured optical fibers[J].Optics Express,2010,18(17),18056-18060.

[10]Dora Juanjuan Hu,Jun Long Lim,Ying Cui,et al.Fabrication and characterization of a highly temperature sensitive device based on nematic liquid crystal-filled photonic crystal fiber[J].IEEE Photonics Journal,2012,4(5):1248-1255.

[11]H K Tyagi,MA Schmidt,L Prill Sempere,et al.Optical properties of photonic crystal fiber with integral micron-sized Gewire[J].Optics Express,2008,16(22):17227-17236.

[12]Ying Wang,Minwei Yang,Wang D N,et al.Selectively infiltrated photonic crystal fiber with ultrahigh temperature sensitivity[J].IEEE Photon Technol Lett,2011,23(20),1520-1522.

于文兵 男，1972年出生于湖北洪湖，華中科技大學(xué)光學(xué)工程碩士研究生，武漢工程大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)副教授、碩士生導(dǎo)師.研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)、超快激光技術(shù)與應(yīng)用.

E-mail：yuwhict@163.com

田 婕 女，1991年出生于河北張家口，武漢工程大學(xué)光學(xué)工程在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)與應(yīng)用.

E-mail：953533143@qq.com

王 英 男，1983年出生于河南洛陽(yáng)，華中科技大學(xué)光學(xué)工程博士研究生，武漢工程大學(xué)理學(xué)院特聘教授.研究方向?yàn)楣饫w傳感和超快激光微加工.

E-mail：7079150@qq.com

Strain Characteristics for Selectively Infiltrated Photonic Crystal Fibers

YU Weng-bing1,2,TIAN Jie2,WANG Ying2

(1.IndustrialTechnologyCenter,ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai201306,China;2.SchoolofScience,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430073,China;)

Functional materials infiltrated photonic crystal fibers are optical devices that are wavelength tunable,all in fiber structure and easy to be integrated into optical systems,and have been a prominent research focus in optical fiber photonic devices.A highly sensitive strain sensor is made by selectively infiltrating high refractive index matching liquid into the air holes adjacent to the fiber core of a hollow core photonic crystal fiber (PCF) by capillary force,and splicing single mode fibers at both ends of the PCF.A strain sensitivity of 4.36pm/με is obtained by a device with infiltration length of 30mm and liquid refractive index of 1.508.The experimental results agree well with the simulation predictions.Such a device can be used for strain sensing with high sensitivity.

fiber optics；photonic crystal fiber；selective infiltration；strain measurement

2015-01-25;

2015-10-10;責(zé)任編輯：梅志強(qiáng)

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(No.61108016);湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.2014CFB770);武漢市科技局項(xiàng)目(No.2015010101010002)

TN253

A

0372-2112 (2016)09-2164-04

??學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.09.021