自適應氣體檢測光子晶體光纖傳感器設計*

楊永強

(河南財經政法大學 計算機與信息工程學院,河南 鄭州 450002)

自適應氣體檢測光子晶體光纖傳感器設計*

楊永強

(河南財經政法大學 計算機與信息工程學院,河南 鄭州 450002)

摘要:針對光子晶體光纖在傳感技術和非線性傳感系統應用中面臨的傳輸模式突變、檢測精度受模式變化而降低等方面問題，研制了一種具有低損耗高抗壓的氣體檢測光子晶體光纖傳感器。根據非線性傳感系統和光子晶體光纖的帶隙材料布局建立了損耗分析模型，并總結了孔距和包層直徑對損耗的影響，從而建立損耗感知算法；對比單模、二階模及異構孔對損耗的影響，建立了模式自適應調制算法；研制了一種基于損耗感知支持模式自適應調制的用于氣體檢測的光子晶體光纖傳感器。測量系統的實驗結果分別從損耗、檢測精度和抗壓等方面證明了所提方案研制的光纖傳感器的可靠性和優越性。

關鍵詞:損耗感知；模式調制；氣體檢測；光子晶體光纖傳感器

0引言

光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)在傳感器設計方面，文獻[1]的研究結果證明了雙折射光子晶體光纖環鏡可以有效解決傳統雙折射光纖環鏡的軸向應變靈敏度較低的問題。文獻[2]中，研究發現側漏型光子晶體光纖的長度直接影響傳感器的扭轉敏感系數和扭轉角度測量范圍。文獻[3]所研究并設計的適用于溫度傳感監測的填充乙醇的高雙折射光子晶體光纖Sagnac干涉儀。文獻[4]在光纖預制棒制作中采用摻鍺芯六孔結構，結合間接測量評估模式、彎曲及色散特性，在此基礎上，設計與普通單模光纖高適配的低彎曲損耗光子晶體光纖。同時，云茂金等人[5]研制了適用于脈沖無畸變慢光傳輸的帶隙型光子晶體光纖，并通過平面波展開法驗證了該光子晶體光纖在能帶結構、群折射率和群速度色散等方面的優越性。孫兵等人[6]在研究光纖參數和有效折射率的變化關系，以及通纖芯內層空氣孔的直徑和摻雜介質棒的折射率的趨勢基礎上，基于非對稱雙芯光子晶體光纖研制了一種寬帶模式轉換器。馬依拉木·木斯得克等人[7]采用異構圓形空氣孔研制了一種光子晶體光纖結構，模擬實驗從纖芯材料折射率、非線性系數和限制損耗等方面進行了驗證，結果表明,該類光纖結構在非線性、基模模場、低損耗等展現了明顯優勢。Bongkyun Kim等人[8]基于標量有限元法研究了光子晶體光纖的模式特性，分析了在光子晶體光纖的制備過程中使用堆棧和繪制方法及其各種傳感應用。文獻[9]基于光纖環形鏡與裝滿酒精的高雙折射光子晶體光纖相結合研制了緊湊型溫度傳感器。

在文獻[7]的損耗限制算法的基礎上，本文建立適用于光子晶體光纖損耗分析模型，分析影響損耗因素和變化規律；基于損耗感知規律提出了一種光纖傳感器的自適應模式調試算法；最后研制了一種基于損耗感知支持模式自適應調制的用于氣體檢測的光子晶體光纖傳感器。

1損耗模型

將光導纖維用于探測或檢測各種物理信息，稱為光纖傳感器，用光子帶隙材料填充光導纖維,即為光子晶體光纖,其橫截面，如圖1所示。

圖1所示的光子晶體光纖中，填充了2層帶隙材料光纖，同一層相鄰空氣孔中心間距為a，第一層與第二層相鄰空氣孔間距為b，第一層空氣孔直徑為r1，第二層空氣孔直徑為r2，第一層空氣孔個數為n1，第二層空氣孔個數為n2，包層材料直徑為d，則需滿足如式(1)所示不等關系

(1)

圖1　光子晶體光纖2圈填充橫截面Fig 1　Crosssection of photonic crystal optical 2circle filled

由圖1所示的光子晶體光纖設計的傳感器元件組成的非線性傳感控制系統定義如下

(2)

在式(2)所示的非線性系統中光子晶體光纖基膜折射率φ可由如下方式得到

(3)

式中ω0為角頻率，f0為滑動頻率，λ為光波波長，c為自由空間傳輸的光速。

為了保障傳感系統的穩定性和模式調制，光子晶體光纖傳感器必須具有可控性即滿足定理1。

定理1非線性傳感系統，設x0∈Rm，φ在鄰域Φ內。設定在x0和φ某空間點處的近似線性系統為

(4)

該系統是一個穩定可控的線性傳感系統。

基于上述的非線性傳感系統，光子晶體光纖的微結構的模場分布下系統損耗可由式(5)分析得到

(5)

式中ρ為光子晶體光纖帶隙材料孔距。

為了確保非線性傳感系統中的光纖與光子晶體光纖準確耦合，對于耦合結構需滿足如下關系

(6)

式中δf為耦合結構參數，ξ1和ξ2為間隙閾值由光子晶體光纖模場半徑與帶隙材料填充圈數共同決定。

2氣體檢測光纖傳感器

在光子晶體光纖傳感器設計中，通過調節空氣孔的直徑大小及其布局，使得光子晶體光纖在基膜和二階模之間進行調制，在圖1所示的2圈填充光子晶體光纖基礎上進行調節后橫截面如圖2所示。其中，大孔直徑為rb部署了nb個，小孔直徑為rs共布局了ns個。

根據第1節中建立的損耗模型，分析圖2所示的雙模光纖帶隙材料孔距對損耗的影響，如圖3所示。可以看出:對于基膜和二階模而言，隨著孔距的增大損耗均呈上升趨勢，但存在一個交叉點孔距值(孔距值為6μm)，小于該值時基膜的損耗明顯低于二階模，此后二階模的損耗性能優于基膜，因此,可以根據損耗感知和孔距布局方案在光信號傳輸過程中在基膜和二階模之間進行自適應調制，從而保障光子晶體光纖傳感器始終保持低損耗狀態。在實際研制過程中，需要根據損耗模型分析具體設計方案所存在交叉點孔距值。

圖2　雙模光纖橫截面Fig 2　Crosssection of double-mode fiber

圖3　光纖多模工作下損耗分析Fig 3　Loss analysis of multimode optical fiber in working

在包層中填充若干圈帶隙材料光纖研制光子晶體光纖傳感器，根據光譜吸收原理，利用多徑空氣孔及其間隙的消逝波的多模光功率調制，實現環境中的氣體檢測。

基于損耗感知和模式自適應調制的光子晶體光纖傳感器研制方案工作機制描述如下：

1)根據具體氣體檢測應用需求建立非線性傳感控制系統如式(2)所示。

2)根據式(1)的物理尺寸約束條件初步設定r1和r2值。

3)在設定的r1和r2值基礎上，利用損耗模型分析閾值，設計d值并確定大孔和小孔的直徑及其個數。

4)根據基膜和二階模損耗分析確定大孔和小孔的布局方式，從而填充光纖包層結構，并使其成為耦合結構。

5)通過光譜原理進行氣體檢測，數據可通過天線組成的發射模塊傳送給匯聚節點或者由氣體測量儀接收。

3實驗結果與性能分析

根據圖2所示的橫截面設計光子晶體光纖，結合圖3研制氣體檢測傳感器節點，大孔直徑1.5μm，小孔直徑去0.8μm，第一圈空氣孔共15個，第二圈空氣孔布局6個，孔間距為2μm，包層直徑為13μm。

實驗環境搭建了光子晶體光纖氣體檢測系統，包括光源產生器、諧調整流器和不同程度的彎曲檢測等。實驗環境中填充乙炔氣體，協調整流器改變光波長取值范圍是1 560～1 580nm。

氣體檢測光纖傳感器測量驗證方案如圖4所示，其中氣體發生源產生乙炔氣體濃度為5 %,10 %,15 %,20 %,25 %和30 %，對應的折射率分別為36 %,51 %,63 %,75 %,84 %和95 %，通過寬帶光源進入透鏡聚焦后耦合到所提方案研制的光纖傳感器，檢測數據送入氣體檢測儀，用于統計實驗結果。

圖4　氣體檢測實驗測量裝置方案Fig 4　Measuring device scheme of gas detection experiments

氣體濃度/%折射率/%53610511563207525843095

第一組實驗，氣體發生源從5 %到14 %依次按1 %增加濃度發生乙炔氣體，采用所提方案研制的光子晶體光纖傳感器，統計測量值與實際值隨波長變化的比對，結果如圖5所示。可以看出:測量值與實際值非常接近，最大誤差為0.097 3，最小誤差為0.01，表明按所提方案研制的光子晶體光纖傳感器能夠準確檢測環境中氣體狀態。

圖5　氣體檢測精度分析Fig 5　Analysis on gas detection precision

第二組實驗中，分別采用單模光纖與所提方案光纖在上述測量系統中進行氣體檢測，對比損耗情況，結果如圖6所示,發現所提方案具有損耗感知功能，可以根據波長變化情況選擇當前最佳模式調制方式，從而優化系統損耗，時鐘保持低損耗情況。

圖6　損耗分析Fig 6　Loss analysis

第三組實驗中，在光纖上懸掛砝碼，以10 g為步長從1 g開始增加到100 g。同時氣體發生源按15 %的濃度發生乙炔氣體。砝碼質量與光纖軸向拉伸存在如下關系

ζ=G/sin(ω0π+δ)d2

(6)

實驗結果如圖7所示，砝碼質量的增加使得光纖彎曲程度逐漸明顯，導致模式折射率下降精度降低，但是所提方案中帶隙材料填充產生的氣孔有不同尺寸，可以降低因重物負壓導致的光纖變形，從而可以縮減折射率下降程度

和優化損耗，保持較高檢測精度。

圖7　單模與所提方案的模式自適應調制性能對比Fig 7　Comparison of mode adaptive modulation performance of single mode and the proposed scheme

4結束語

雖然光子晶體光纖因為設計簡單、成本低和性能穩定等特點廣泛應用于傳感器設計與系統應用，但光子晶體光纖傳感器的孔間距、空氣孔直徑、模場調節等造成的動態損耗、靜態傳輸模式、檢測精度較大等影響不可忽視。本文研究并設計了一種具有低損耗、高抗壓等優點的氣體檢測光子晶體光纖傳感器。主要工作包括：1)基于非線性系統特點和光纖包層布局提出了損耗模型，并分析了孔距和直徑對損耗的影響，得出損耗感知機制；2)分析了單模、二階模和異構孔下損耗變化規律，建立了模式自適應調制機制；3)研制了基于損耗感知且支持模式自適應調制的氣體檢測的光子晶體光纖傳感器。實驗結果驗證了所提方案研制的光纖傳感器在損耗、檢測精度和抗壓等方面的優越性。

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Design of photonic crystal fiber sensor based on adaptive gas detection*

YANG Yong-qiang

(School of Computer and Information Engineering,Henan University of Economics and Law, Zhengzhou 450002，China)

Abstract:Aiming at problems of facing in application of transmission mode of photonic crystal fiber(PCF)sensing technique and nonlinear sensing system mutation,detection precision reducing with mode change,develop a low loss and high anti pressure gas detection photon crystal optical fiber sensor.According to nonlinear sensing system and band gap material layout of photonic crystal fiber,establish loss analysis model and summarize effect of distance of holes and diameter of cladding on loss,and establish loss awaring algorithm.Compare effects on single-mode,second order model and heterogeneous hole on loss,establish mode adaptive modulation algorithm;develop a loss perceived support adaptive modulation mode photonic crystal fiber sensor for gas detection.Experimental results of measurement system prove that advantages of the reliability and the superiority of the fiber sensor developed by the proposed scheme in aspects of loss,detection precision and compression.

Key words:loss perception;mode modulation;gas detection;photonic crystal fiber(PCF)sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0121—03

收稿日期：2015—08—05

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(61202285)

中圖分類號:TP 319

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)05—0121—03

作者簡介:

楊永強(1974-)，男，河南許昌人，碩士，講師，主要研究方向為傳感器設計、計算機網絡、圖形圖像處理等。