光子晶體光纖光柵在傳感器系統中應用研究

屈 勇 余先倫

（重慶三峽學院電子與信息工程學院，重慶萬州 404100）

光子晶體光纖光柵在傳感器系統中應用研究

屈 勇 余先倫

（重慶三峽學院電子與信息工程學院，重慶萬州 404100）

光子晶體光纖光柵是一種新型的無源器件，可廣泛用于光纖通信系統、光脈沖壓縮、傳感器及濾波裝置中．采用耦合模理論對光脈沖在光子晶體光纖光柵中傳播進行分析，給出光子晶體光纖光柵的制作方案，提出了光子晶體光纖光柵在壓力傳感器、折射率傳感器、應變傳感器和射流傳感器等方面的具體應用．光子晶體光纖光柵對溫度的敏感性比傳統單模光纖傳感器要低2至3個數量級，光子晶體光纖光柵傳感器系統不需要溫度補償，傳感器系統更為簡潔而具備充分的優越性．

光纖傳感；光子晶體光纖；光子晶體光纖光柵；傳感器

1 引 言

1978年Hill等人采用駐波寫入法制成第一根光纖光柵，1989年G.Meltz實現光纖Bragg光柵（FBG）的紫外激光側面寫入，1993年Hill等人提出相位掩模寫入技術，同年P.J.Lemaire等人采用低溫高壓載氫技術提高FBG的光敏性近2個數量級[1-2]．短周期光纖光柵屬于反射型帶通濾波器，長周期光纖光柵屬于透射型帶阻濾波器，中心波長與介質折射率和光柵周期有關，對應的應變、溫度、應力、磁場的公式存在區別[3-6]．

長周期光纖光柵（LPG）是一種模式耦合器件，在纖芯上制作周期性的折射率，把光從纖芯耦合到包層模，在諧振波長處產生透射損耗．LPG由沿光纖長度方向折射率或幾何結構的周期性擾動形成的．FBG傳感器屬于波長編碼，測量信號只受波長限制，與功率無關，在進行標定后，可用于對外界參量的絕對測量，對光的突然中斷不敏感，可以間斷地采集數據，傳感頭結構簡單，尺寸小重量輕，對被測結構影響小．

PCF是由中心缺陷的纖芯和周期排列的微尺寸圓柱型平行孔作為包層構成的通信介質，在一個小的光纖芯中限制較強的電磁場．PCF的光纖光柵是一種新型的光器件，大量研究工作都是集中于FBG和LPG的特性如光譜特性，基于PCF LPG傳感器具有許多新的特性，如很低的溫度敏感性，可以不進行溫度補償．PCF具有一些標志性特征，強烈的依賴于設計細節這類光纖可用于傳感器和信號處理應用之中[6-14]．

眾多研究者也注意于PCF FBG的特性和應用，如果作用的壓力弱則在PCF FBG中不同的偏振的傳輸譜重疊，在這種條件下測量Bragg波長漂移不再可行，在航天工程、自動化工程、油井監測領域及道路橋梁健康檢測等諸多領域，形變測量是一種基本技術，而光纖光柵傳感器具有低密度、小尺寸，高分辨率和高精確性，對電磁干擾的不敏感性，不產生電火花，且在傳感點不需要電功率等優點[15-21]．

2 光子晶體光纖光柵理論模型

假設光柵只存在于光纖纖芯中，纖芯由純硅構成，折射率的擾動僅沿光纖纖芯，則纖芯介質的介電系數可描述為：

其中，ε0指純硅的介電系數，Δε（z）指在一個光柵周期里介電系數的擾動，n0指純硅折射率，Δn指一個光柵周期里折射率的改變，Λ是光柵周期，m是光柵調制級次，一般而言，Δn＜＜n0，m可取1．在光子晶體光纖光柵中，光柵折射率可表示為：

在PCF光柵的徑向方向折射率分布引入微擾，光柵傳播的光脈沖滿足Maxwell方程組．

一般而言，引入的徑向折射率波動與折射率中心值相比很小，在光子晶體光纖光柵中徑向模場分布可表示為：

其中，Ai，Bi表示第i階模沿+z和-z方向傳

播的慢變包絡振幅，βi表示第i階模的傳播常數．在弱光纖光柵中，在纖芯區域只有基波導模存在，因此可以假設纖芯各縱向模耦合系數可以忽略，各包層模之間的耦合也很小，也可以忽略，各軸向模間的耦合也可以忽略，對于Bragg光柵，其耦合模方程是

其中，oA是基波導模振幅，iA是傳播包層模振幅，oβ，iβ表示基波導模和包層模各自的傳播常數，而表示基模和包層模間失諧因子，而表示模間耦合系數．

對于長周期光柵，模式耦合主要發生在基波導模和同向傳導包層模之間，其耦合模方程是：

其中，Ao，Ai表示基模和第i階包層模的振幅，模式耦合由模式的橫向電磁場分布決定，而模式之間橫向耦合系數可表示為：

由失諧參數表征相位匹配的偏離，表示越靠近共振發生的條件，耦合越強，因此考慮模式耦合時，僅考慮失諧參數很小的模式，結合邊界條件和數值方法即可求解耦合模方程，求得所考慮的光譜范圍內的各個波長處的透射率，最終可計算出長周期光纖光柵的透射譜．這種考慮在很多情況下足夠精確并能獲得直觀的解析解和傳輸系數．

3 光子晶體光纖光柵制作方案

國際上，2000年左右就已經開始在PCF中制作長周期光纖光柵，通過紫外光輻射、電弧放電和CO2激光器蝕刻或采用機械壓力等方式制作光柵．采用紫外光譜區強激光輻射，可在光子晶體光纖纖芯區域沿光纖縱向產生折射率永久性的變化，形成光子晶體光纖光柵，光子晶體光纖光柵作用的波長主要集中于1.3微米和1.5微米紅外區域，與光通信相關，可作為許多重要的光通信設備，如光譜儀、壓縮儀和濾波器等．

研究表明光纖光柵的光敏性來源于纖芯區域的缺陷，在纖芯通過摻雜提高折射率，并在纖芯和包層間產生折射率梯度變化，這種變化發生在紫外區，可以在纖芯形成周期性的強度圖案，形成折射率型光柵，折射率變化的典型值大約是10-4，對于高摻雜纖芯其值可達0.001．

可采用多種技術制作光纖光柵，第一種方法是采用駐波技術寫入光柵，通常可用激光器單模單束激光入射到光纖中，光纖近端和遠端反射產生后向傳播的激光脈沖，兩束反向傳播的光干涉并形成周期性的駐波圖案，則在高亮度區域光纖纖芯折射率受到調制，并沿光纖徑向呈周期性變化，制作成功折射率型光纖光柵．這種光柵可以作為窄帶濾波器，其工作波長在制作光柵的激光波長附近．另一種方法是采用全息相干法制作光柵，讓工作在紫外區的激光器獲得兩束夾角為2θ的激光，兩束光在纖芯裸露區域形成干涉，產生折射率光柵，這種方法制作的光柵周期可變，光柵工作波長在可見光至紅外區域，光柵光柵穩定性，能夠用于光通信各領域．但是這種方法制作光柵需要紫外激光在時間上和空間上具有高相干性，且對激光單脈沖能量有限制．光纖光柵還可以采用相位掩膜技術制作，使用一個與光柵周期相關的周期相位模板，紫外輻射光通過相位模板引起相位變化并傳遞到光纖中，在纖芯形成折射率周期性變化，制作成折射率型光柵，這種技術方案對紫外光束的時間和空間的相干性要求較低，對側向光不敏感，可以制作長周期光柵，也可以制作出可變周期的光柵．光纖光柵也可采用逐點寫入技術制作光柵，將一小段光纖曝光在高性能的單脈沖下，在下一束激光脈沖到達時周期移動光纖，這樣就可在光纖中形成折射率周期變化，直接在光纖上制作光柵，這種技術可將紫外光聚焦成點，能夠制作出周期超過10微米的長周期光纖光柵，這種方法制作出的光柵能夠用于模式轉化、偏振轉化和濾波器件等中．

2005年L.B.Fu等人在《Electronics Letters》第11期上發表文章報導了一種在純硅PCF中制作Bragg光柵的方案，在他們的方案中采用近場相位模板技術使用267 nm的飛秒激光在純硅PCF中蝕刻光纖Bragg光柵，其實驗裝置圖如1所示[22]．

圖1 制作光子晶體光纖光柵的實驗裝置圖

實驗中PCF纖芯直徑4.9μm，周圍空氣孔呈六角形排列，孔直徑1.67μm，孔間距3.2μm，整個PCF橫向區域直徑35μm，外包層直徑125μm，激光脈沖波長267 nm，脈沖寬度120fs，光束直徑4 mm，能量70KJcm2，采用焦距為104 mm的柱透鏡聚焦，光纖置于相位模板之后，制作成功的PCF Bragg光柵調制深度可達到10dB，平均折射率的改變在Δn ＞4× 10-4，光柵周期是1 061.89 nm，諧振波長是1 519.8 nm．

2008年Ho Wai Lee等人在IEEE Photonics Technology Letters上報導了一種采用CO2激光脈沖保偏光子晶體光纖中寫入長周期光柵的方案[23]，其中寫入脈沖是高頻CO2激光脈沖，最大平均輸出激光功率是10W，脈沖重復頻率是5KHz，脈沖聚焦直徑50μm，保偏PCF純硅纖芯直徑是5μm，光纖雙折射值可達10-4，制作的長周期PCF光柵間距是460μm，周期數目是60，諧振波長與輻射的方向有關，沿慢軸方向大約是1 410 nm，沿快軸方向大約是1 345 nm．

4 光子晶體光纖光柵在各種傳感器中應用

光子晶體光纖光柵目前在國內外研究最多的主要有兩類，一種是PCF Bragg光柵，另一種就是長周期PCF光柵，它們主要區別在于制作的光子晶體光纖光柵的光柵周期、光柵長度、諧振波長和傳輸損耗等方面的區別．

4.1 PCF光柵在壓力傳感器系統中應用

光柵制作成功后，光柵特性會基本保持穩定，但是如采用恒定周期V形槽板在PCF中制作長周期光纖光柵，光柵的反射譜和中心波長能夠在一個寬的光譜范圍調諧，根據這個特征，PCF光柵能夠用來測量外界壓力[24]．其實驗裝置如圖2所示．

圖2 采用機械應力在PCF中制作長周期光纖光柵的實驗裝置圖

在圖2中由V形槽構成的槽板6 cm長1 cm寬，V形槽深度200mμ周期400mμ，由WLS即白光源發出的光通過PCF后，采用光譜分析儀OSA測量脈沖信號，無盡單模PCF夾在V形槽板和一個平坦金屬板之間，PCF由沒有摻雜的熔硅構成纖芯，直徑是12mμ，包層空氣孔直徑4mμ，孔間距8mμ．

可以改變V形槽板與PCF所夾的角度θ，則PCF長周期光纖光柵也會跟著發生改變，其關系是，其中0Λ是V形槽板與PCF平行時所制作的光柵周期．而PCF長周期光纖光柵的諧振波長會隨光柵周期增加而降低，即向短波長方向發生移動，這與普通單模光纖長周期光纖光柵的特性相反．在這個實驗中諧振波長與光柵周期關系可以表示為，其中ncoeff是 PCF纖芯有效折射率，是PCF包層有效折射率．當光柵常數從805mμ降至470mμ時，PCF-LPG的中心波長從790 nm增至1 590 nm．當整個PCF-LPG長度從1.2 cm變化到1.9 cm時，其反射帶寬范圍在10～35 nm．

在他們的實驗中在一個確定的光柵常數時，PCF-LPG的傳輸損耗可增加到18 dB，纖芯和包層模有效折射差能夠達到10-3數量級．在1 528至1 562 nm光譜范圍里增益平坦，因此PCF-LPG能夠用于應力傳感器系統裝置中，但其測量的應力存在一定范圍，如果增加的應力超過一定的量值，光柵可能會斷裂．

4.2 PCF光柵用于折射率傳感器系統

PCF-LPG可用于折射率傳感裝置中，X.Yu在2008年報導了這種方案[25]．文獻16中研制了一種基于機械方法制作的PCF長周期光柵，使用的PCF屬于無盡單模PCF，空氣孔直徑3.68μm，孔間距8μm，裸光纖區域直徑60μm，光纖外層直徑125μm，改變外力作用可得不同光柵周期的PCF-LPG，光源采用超發光二極管，輸出的傳輸譜通過光譜分析儀觀察，傳輸譜范圍可達150 nm，諧振波長是1 420 nm，在PCF-LPG傳感器系統中可以不使用偏振片，信號輸出穩定．如果在PCF的空氣孔中填充液體，當滲透液折射率從1.32增加至1.38時，諧振波長能夠從1 429.50 nm漂移至1 414.80 nm，在滿足相位匹配條件時纖芯和包層模的有效折射率差是2.38× 10-3．當諧振波長漂移17.1 nm時，折射率單位改變量是Δn=0.07，通過信號解調技術，可獲得這種傳感器系統的折射率敏感度是4.1× 10-5折射率單位．通過實驗比較PCF-LPG折射率型傳感器與傳統單模光纖制作的光柵傳感器相比較，其熱穩定性是其3倍．

4.3 PCF光柵在應變傳感器系統的應用

Chun-liu Zhao等人在2008年報導了一種對溫度不敏感的應變傳感器，其裝置如圖3所示[26]．

圖3 PCF長周期光纖光柵溫度不敏感應變傳感器

在這種傳感器系統中，激光光源采用二極管激光光源，輸出信號采用分辨率是0.5 nm光譜分析儀進行分析．實驗方案里PCF采用無盡單模PCF，PCF結構由實芯纖芯和空氣孔/硅結構組成，孔直徑3.55mμ，空氣孔間距7.78mμ，裸光纖區域直徑60mμ，外層直徑125mμ，采用重復頻率是10 kHz，最大功率為10 W的CO2激光器在PCF中蝕刻長周期光纖光柵，蝕刻的長周期光纖光柵周期467mμ，諧振波長有兩個，1 363.3 nm和1 552.4 nm，在1 552.4 nm波長處傳輸損耗可增加到20dB，系統中LPG的插入損耗是1.5dB．制作的光柵隨光柵周期增加其諧振波長向短波長方向移動．PCF-LPG的應變靈敏度可表示為

4 PCF光柵在氣體和液體傳感器中應用

2006年，J.F.Nikolaos等人報導了基于PCF Bragg光柵的射流傳感器[27]，PCF采用純硅纖芯和六角排列的微結構孔構成，在孔中充滿不同成分的氣體，研究的光柵光柵常數選擇為1.0μm，光柵長度選擇70 mm，有效折射率改變量8× 10-4．他們證明合適和光柵的設計參數，通過計算PCF光柵的反射譜漂移能夠獲得緊致的傳感器平臺，也充分證明采用PCF光柵可作為氣體或液體傳感器，文章也更進一步分析了PCF光柵的熱光靈敏度，它能用于波分復用系統里．

5 結 論

光子晶體光纖光柵在2002年左右就已經廣泛開展了研究，光子晶體光纖光柵主要有Bragg光柵和長周期光纖光柵，這種光柵主要采用CO2激光器或紫外光單脈沖或相位模板寫入法等方法制作，制作的光柵其諧振波長主要分布在光纖通信的光波段領域，也能夠對光柵的諧振波長進行一個較長波長范圍調諧，因此這種光柵能夠用于光纖通信系統、光脈沖壓縮裝置和光信號濾波系統，同時光子晶體光纖光柵的溫度敏感性與傳統單模光纖傳感器相比較要低2～3個量級，光子晶體光纖光柵用于傳感器系統中時可以不采用溫度補償裝置，光子晶體光纖光柵傳感器系統更為簡潔，能夠廣泛用于道路橋梁、油井監測等方面，在各種傳感器應用中具有潛在的巨大優越性．

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（責任編輯：于開紅）

An Application-oriented Study of Photonic Crystal Fiber gratings in Optical Fiber Sensing System

QU Yong YU Xianlun
(School of Electronics and Information Engineering, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing 404100)

As a new passive device, photonic crystal fiber grating can be widely used in optical fiber communication systems, optical pulse compression, sensors and filtering devices. With the coupled-mode theory, this paper analyzes the optical pulses propagation in photonic crystal fiber gratings, and the obtained methods of photonic crystal fiber gratings. It summarizes its applications in photonic crystal fiber grating pressure sensor, the refractive index sensors, strain sensors and the fluidic sensors. The temperature sensitivity of photonic crystal fiber grating is at lower 2-3 orders of magnitude than that of conventional single-mode fiber, photonic crystal fiber grating sensor does not need temperature compensation, so this sensors is more concise and sufficiently superior.

optical fiber sensing; Photonic Crystal Fiber; Photonic Crystal Fiber gratings; sensor

TN929.11

A

1009-8135（2014）03-0035-06

2014-03-16

屈 勇（1977-），男，重慶三峽學院電子與信息工程學院講師，主要研究光纖光柵傳感器和教育技術．余先倫（1967-），男，重慶三峽學院電子與信息工程學院教授，碩士生導師，主要研究光子晶體光纖、光纖光柵傳感器．

重慶市教委科學技術研究項目（項目編號：KJ131121）、重慶市高校創新團隊資助項目階段性成果