光子晶体光纤传感系统

光子晶体光纤传感系统内容一、光子晶体二、光子晶体光纤三、光子晶体光纤传感系统光子晶体光子晶体—指具有光子带隙结构的一类周期性电介

质结构。理论来源—光子及电子运动方程的可类比性。对于电子的能带理论：其中位势V（r）是周期性的，

频率为ω的光在介电常数作周期性变化的介质中传播时，它的电矢量所满足的麦克斯韦方程：光子晶体对比（1.1）、（1.2），可以看到，介电常数的变化相当于势能的变化，相当于电子波动方程中的能量本征值。发展—由此类比，1987年美国贝尔实验室的EliYab-lonovitch首先提出了光子晶体的概念。

光子晶体光子晶体结构示意图天然光子晶体光子晶体

美国的Yablonovitch首先加工出了微波波段的光子晶体，并且验证了他提出的光子晶体的理论,1991年，Yablonovitch等人首先制造出了具有完全能隙的微波波段的三维结构的晶体，如图所示：

光子晶体

在1992年的时候，Yablonovitch与麻省理工学院林肯实验室的ElliotBrown及ChrisParker合作，用光子晶体反射微波天线的信号。这是光子晶体的首次应用。1997年，梅东滨等人通过胶体生长制造出来三维二氧化硅胶体光子晶体，并对其能隙等物理性质进行了测试。光子晶体应用前景广泛:全反射镜、天线、无阈值激光器、光波导、偏振片、光开关、光放大器、光聚焦器等等。光子晶体光纤光子晶体光纤—在二维光子晶体材料中引入缺陷，将

光限制在其光纤的纤芯中

根据光子晶体光纤导光原理的不同，可以将其分为二类：1.全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF)2.光子禁带光子晶体光纤（PBG-PCF）光子晶体光纤CROW

此外，还有耦合共振器光学波导(CROW)，CROW由三维光子晶体中缺陷腔耦合实现，这些缺陷腔的共振频率是位于它周围的二维光子晶体结构的带隙之内。光子晶体光纤全内反射光子晶体光纤的特性：1.单模频率范围很宽2.其色散特性可调。光子禁带光子晶体光纤的特性：1.无截止单模传输。2.色散特性同样可调。3.大模场面积特性。4.有非线性可控特性。光子晶体光纤

此外，由于将光严格限制在纤芯，PBG-PCF完全消除了横向平面内的光损耗对于耦合共振器光学波导，它有可能做到无损耗弯曲，由对称性考虑，如果独立的共振器模具有n度的旋转对称性，则它就可以做到2nπ度弯曲，因为弯曲处的共振器对靠近它的两个近邻的共振器的耦合是一致的，它弯曲的透射系数可以达到100%光子晶体光纤光子晶体光纤最早由Russell等人于1992提出，他们认为，如果把二维空间的折射率周期性变化引入到光纤横截面中并沿着光纤的轴向作一维无限延伸，这种二维光子晶体结构将有可能把光局限在光纤中央光子晶体光纤结构缺陷中，而使光子仅仅在光纤轴向具有自由度，从而可以使光沿着光纤轴向传播1995年，Birks等人利用平面外光子带隙进行导光从理论上证明了光子晶体光纤的可行性1996年，Knight与Russell等人成功制造出了全内反射光子晶体光纤，并成功验证了其只支持单模的特殊性能到1998年，真正意义上的光子晶体光纤—光子禁带光子晶体光纤才由Russell等人拉制成功随着制造工艺的不断进步，人们不断制造出各种功能的光子晶体光纤，并且将多种技术与光子晶体光纤结合起来，其用前景非常广泛光子晶体光纤传感系统由于光子晶体光纤的优良特性，使得光子晶体光纤在光纤激光器和放大器、光纤通信和光纤传感等众多领域都有着广阔的应用前景。以下介绍一下光子晶体光纤在传感方面的应用。光纤传感系统原理如下图所示,光子晶体光纤传感系统根据调制方法将光纤传感器分为4类：1.光强调制型传感器2.偏振调制型传感器3.波长调制型传感器4.相位调制型传感器光子晶体光纤传感系统光子晶体光纤传感器大致有以下四种：吸收型光子晶体光纤传感器、荧光光子晶体光纤传感器、光子晶体光纤光栅传感器和干涉型光子晶体光纤传感器光纤光栅抗干扰能力强、可靠性好、结构简单。光纤光栅的基本原理如下图：光子晶体光纤传感系统按照光栅周期的长短可将均匀光纤光栅分为两大类：1.短周期光纤光栅或光纤布拉格光栅（FBG）2.长周期光栅或透射光栅（LPG）光子晶体光纤传感系统下面具体分析一下布拉格光纤光栅传感器对温度、应力的传感。布拉格波长为：neff为光纤传播模式的有效折射率，Λ为光栅周期。布拉格波长峰值反射率为：式中是折射率最大变化量，L是光栅长度。和L越大，反射率越高。布拉格光纤光栅的中心波长移动量与温度和应力的关系为：光子晶体光纤传感系统式中，为光纤的热膨胀系数，为光纤材料的热光系数，为纤材料的弹光系数忽略应力的影响，温度变化引起光纤光栅反射波长的变化由3.3有：可以看出，△T与△λB呈线性关系，可得光纤光栅的温度灵敏度系数：光子晶体光纤传感系统式中，nco为基模的有效折射率光栅所处的温度为T0，ΔT=T-T0将λb做泰勒展开，保留二次项得将3.6代入上式得，在PCF-FBG中，基模与基模耦合的布拉格波长为光子晶体光纤传感系统将3.6对温度T求导，则温度灵敏系数可分别表示为：光子晶体光纤传感系统由3.8,3.9,3.10可以看出，在PCF-FBG中基模与基模耦合时，谐振波长随温度的变化呈二次关系，PCF-FBG中的谐振波长变化与温度呈线性关系忽略温度影响，光纤光栅在受到应力作用时，轴向应力引起的光栅栅距的变化：光纤受到轴向应力的作用时，有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵Pij和应力张量矩阵εj表示光子晶体光纤传感系统式中：(i=1,2,3)分别表示x,y,z方向。由于剪切应力为零，则：v是纤芯材料泊松比，光子晶体光纤传感系统对于各向同性的材料，P44=(P11-P12)/2，于剪切应力的存在，故考虑弹光张量中i，j=1，2，3的矩阵元将3.14,3.12代入3.11可得沿z方向折射率变化为：光子晶体光纤传感系统定义有效弹光系数Pe为：则应力灵敏度系数为：若沿轴向施加拉力F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应力为：则布拉格波长的变化为：光子晶体光纤传感系统在PCF-FBG中基模与基模耦合时有，在弹性范围内，为应力，光纤在单轴弹性变形下的折射率变化如下：式中p11和p12为弹光系数,v为泊松比，由3.22,3.23可有，式中aε为光栅基模与基模耦合时反射谱的谐振波长变化与应力的关系系数。光子晶体光纤传感系统可以看出，光子晶体光纤光栅中光栅反射波长与应力呈线性关系

以某种温度、应力传感系统为例，其光纤直径100μm、纤芯直径12μm、空气穴直径为8μm，其基模布拉格波长约为1535.2nm，高阶模布拉格波长约为1531.3nm。基模有比高阶模更大的等效折射率。据3.3式有:光子晶体光纤传感系统令FBG的高阶模布拉格波长漂移量为

基模布拉格波长漂移量为，基模与高阶模对温度有相同的漂移量则基模和高阶模光的布拉格波长漂移量分别为：温度布拉格波长漂移量可表示如下：光子晶体光纤传感系统

温度在0℃以上时可以获得高于0.98pm／℃的温度灵敏度

基模对应力的敏感是线性的，而高阶模则呈非线性变化且随应力增大越来越敏感光子晶体光纤传感系统

基模光应力灵敏度为1.2pm/με，高阶模光获得了高于0.83pm/με的应力灵敏度（交点552με）

基模和高阶模光的应力布拉格波长漂移量分别写为：式中：S表示基模和高阶模光的应力灵敏