光子晶体光纤传感器综述

光子晶体光纤传感器综述(某大学某学院)摘要：本文简要介绍了和光子晶体光纤有关的一些概念以及光子晶体光纤的发展状况、基本结构、导光原理和主要特性，详细阐述了四种不同种类的光子晶体光纤传感器的工作原理、结构及特点，并对光子晶体光纤传感器的发展进行了小结和展望关键词：光子晶体光纤，传感器StudyOnPhotoniccrystalfibersensorXxxxxxx(CollegeofScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity)Abstract：Thispaperbrieflyintroducessomeconceptsrelatedtophotoniccrystalfiberandthedevelopment,basicstructure,lightguideprincipleandmaincharacteristicsofphotoniccrystalfiber.Andthenparticularlydescribestheworkingprinciple,structureandcharacteristicsoffourdifferentkindsofphotoniccrystalfibersensor.Finallywesummarizethedevelopmenttrendandtheprospectofthephotoniccrystalfibersensor.Keywords：Photoniccrystalfibers,sensors1引言光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰、结构简单、体积小、质量轻、光路可弯曲、对被测介质影响小、便于形成网络等优点，有着广泛的应用前景。然而，采用普通光纤作为敏感元件的光纤传感器存在一些难以克服的缺点，如：耦合损耗较大、保偏特性差和存在交叉敏感问题等，限制了光纤传感器性能的进一步提高。20世纪90年代中期［i］,研制出一种光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber,PCF)。这种光纤具有许多优点［2］，如：无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性、可控的非线性、极强的双折射效应以及可进行微结构设计改造等,采用光子晶体光纤构成的光纤传感器有望解决这些问题。近年来,光子晶体光纤传感器受到各国研究人员的重视［3-5］,已经有相关的研究报道。2光子晶体光纤简介光子晶体(PhotonicCrystals,PC)的概念是1987年由Yablonovitch和John在研究抑制自发辐射和光子局域时各自提出的。光子晶体的实质是通过介电常数在空间的周期分布构成的介质材料。光子晶体光纤(PCF)，也称为微结构光纤(Microstructurefiber)或者多孔光纤(Holyfiber)。1992年，光子晶体光纤(PCF)的概念由ST.J.Russel等人提出，1996年世界上第一根PCF拉制成功，它的出现打破了传统光纤光学的束缚，其特殊的性质扩大了光纤的应用领域。根据其导光机制的不同，一般可分为两种：一种是全内反射(TIR)型光子晶体光纤；另一种是光子带隙(PBG)型光子晶体光纤。典型TIR型光子晶体光纤一般由石英材料构成，其纤芯是实心的，而包层为多孔结构，截面如图1(a)所示。存在气孔的目的是减小包层的有效折射率，使纤芯折射率比包层的有效折射率高，从而把光子限制在纤芯中。这种光纤最主要的特点是具有无截止的单模特性，从近紫外到近红外全波段可维持单模运行，它还有良好的色散特性，并且零色散点可以通过调整空气孔的直径来进行调节，它的模场面积可以根据需要进行灵活设计，通过对横截面结构设计，还可以得到高双折射光纤。另外，这种光纤还有弯曲损耗小、可控的非线性等其他的优点。PBG型光子晶体光纤一般也是由石英材料构成，但是其纤芯(一般是空气或真空的)的折射率比包层的有效折射率要低，如图1(b)所示。它的导光原理基于光子带隙(PBG)效应，这与传统的光纤有着本质的不同，因此又称为PBG光纤。这种光纤包层中的气孔必须按周期排列，从而形成二维光子晶体结构，在包层中形成了二维光子带隙。但是，由于的纤芯折射率比包层中空间填充模(spacefillingmode)的有效折射率低，这样就在二维带隙中产生一个缺陷，形成不完全的光子带隙结构，PBG光纤就是用这种不完全的光子带隙结构来导光的。由于PBG光纤中的大部分光都集中在中空的芯区，所以光在进入光纤时没有菲涅耳反射，因此耦合效率很高，并且与材料本身有关的吸收损耗、色散效应和非线性效应等都会大大降低。(a)TIR型PCF (b)空气芯PBG型PCF图1：PCF截面图由于光子晶体光纤具有上述独特的结构和导光特性，使其不仅可以作为敏感元件(或传输元件)代替普通光纤构成传感器，提高已有光纤传感器的性能，而且能够开发出各种基于自身特点的新型光纤传感器。3光子晶体光纤传感器现阶段对PCF传感器的研究主要集中在以下几个方面：首先利用PCF本身所具有的独特的结构特性，设计和制作结构简单，方法新颖的传感器，如在光纤的空气孔中注入样品，或利用空气孔包层中的模式来实现传感；其次是利用普通光纤传感器中较成熟的技术，在PCF中制作光栅等方法实现传感，目的是为了提高传感器的灵敏度或降低交叉敏感性等。现阶段所研究的PCF传感器种类较多，根据传感原理，PCF传感器可分为：吸收型PCF传感器、荧光型PCF传感器、干涉型PCF传感器、PCF光栅传感器。根据用途，PCF传感器可分为：压力传感器、气体传感器、温度传感器、生物化学传感。其中，压力和温度传感主要利用光纤的结构或者材料的特性来实现传感，生物化学和折射率传感主要利用倏逝波来传感。现阶段对PCF传感器研究较多的有香港理工大学靳伟领导的小组，研究方向主要集中在利用PCF的空气孔测量样品，其最早的文章从2003年开始。韩国的HaeYoungChoi等人，主要进行的工作是设计PCF干涉仪传感器。丹麦COMDTU实验室的LarsRindorf等人，主要进行的是长周期光栅的研究。另有上海交通大学和燕山大学等单位从事这方面的研究，可能是由于光子晶体光纤成本较高，国内从事这方面研究的报道较少。国外部分研究单位所使用的光子晶体光纤，有一部分是自己拉制的。下面对几种不同传感原理的传感器进行介绍：1） 吸收型PCF传感器普通吸收型光纤传感器的传感机理基于朗伯比尔定律。利用消逝波传感是传统吸收型光纤传感器的主要工作方式之一，它的特点是探测所需要的样品量极小（为nL量级），对浓度较低的样品有较高的灵敏度。利用普通单模光纤的消逝波进行传感一般需要把光纤的包层去掉，让纤芯的消逝波直接与外部的样品发生作用，然而,这样将使被剥去包层的光纤表面粗糙，引起光散射，产生较大的光强损失。采用TIR型光子晶体光纤能较好地解决这个问题［3］。通过把样品填充进TIR型光子晶体光纤包层的气孔里,使通过纤芯的激光产生的消逝波与气孔中的样品发生相互作用，这样就避免了因为光纤表面粗糙导致的光强损失。由于这种光子晶体光纤中消逝波与材料的相互作用区几乎是重合的，因此只要增加光纤的长度，就能提高光与物质的作用,检测到样品的微小变化。但是，TIR型光子晶体光纤构成的光纤传感器也存在不足。计算表明：TIR型光子晶体光纤消逝波场的光功率约占全部传输功率的6%，因此，能量利用率比较低。相比而言，采用PBG型光子晶体光纤进行吸收传感更有优势。在这种光纤构成的传感器中，检测样品处于纤芯区内，由于芯区的光功率分布很高（可以达到约95%)，同样是基于光强损耗原理的吸收型PBG光纤传感器具有更高的检测灵敏度。Hoo等用PBG型光子晶体光纤进行了乙炔气体扩散检测的实验⑹，装置见图2。实验中所用的PBG光纤长度为10cm，芯区直径大约为1015pm,包层中的气孔直径约为313pm，多模光纤与光子晶体光纤之间的间隔大约是50pm。当气体室充满乙炔气体时，吸收峰处波长为1532.18312nm，分布反馈式激光器发出信号光的调制频率保持在0.33Hz。由实验结果计算出乙炔气体在光纤中的扩散系数D=0.17552cm2/s，这与乙炔在空气中的扩散系数(0.17774cm2/s)极为接近。该传感器极快的响应速度主要因为这种PBG型光子晶体光纤具有较大的纤芯直径(10.5pm)。总之，吸收型光子晶体光纤传感器具有灵敏度很高、响应速度快的优点，这在气体、液体、生物医药检测方面有着广泛的应用前景。当然，这种传感器的性能也会受到某些因素的限制:被探测样品的折射率会对出射光强有较大的影响；光子晶体光纤很容易被污染，而且清洗较复杂。荧光型PCF传感器荧光光纤传感器以光纤为传导介质，对荧光信号进行传输，再通过检测器对荧光信号进行检测，它可以实现对样品的定量分析。普通光纤由于受到纤芯尺寸和接收角的限制，在荧光收集方面效果不够理想，检测灵敏度低，而采用光子晶体光纤能够很好地解决这些问题。光子晶体光纤的截面可以根据不同需要进行灵活设计。为了增大对荧光信号的吸收面积，在荧光收集方面可以使用双包层结构的光子晶体光纤，这样增加了荧光的吸收面积和接收角，提高了传感器的灵敏度。干涉型PCF传感器干涉型光纤传感器基于传统的光学干涉原理，常用的有Mach-Zehner干涉仪、Sagnac光纤干涉仪、Fabry-Perot干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等结构。为了获得好的干涉效应，干涉型光纤传感器需要使用单模光纤，而且最好使用高双折射的单模光纤。光子晶体光纤可以通过结构设计来获得高双折射特性，同时这类光纤还有较低的温度敏感性。2003年，Nasilowski等设计了一种高双折射光纤［8］。这种光纤对温度的敏感性显著低于普通高双折射光纤，但是对压力的敏感性却大大高于普通高双折射光纤。2004年，Guan等也设计制造出了一种高双折射光子晶体光纤［9］，这种光纤在480〜1620nm范围内保偏，而且偏振串扰优于-25dB，并且抗弯曲串扰能力极强，在弯曲半径为10mm时偏振串扰也不会恶化。这种特性对于开发新一代的光纤陀螺有重大意义，因为偏振串扰和双折射的温度敏感性会极大地影响光纤陀螺的性能。图2［10］为一种远距离测量曲率传感器的示意图，其基本结构就是Mach2Zehner干涉仪。实验中采用宽带超强二极管作为光源，其中心波长为860nm，带宽为20nm，输出功率约为lmW。采用的光纤是双芯光子晶体光纤，可以看作是一个Mach-Zehner干涉仪：两个纤芯相当于Mach-Zehner干涉仪的两臂，一个是信号光臂，一个是参考光臂，把光源的光分成两束相干光在两个纤芯中传播。通过这两束光的干涉来得到由于外界压力而产生的光程差，再由光程差计算出光纤的曲率，而且它对温度的敏感性还很低。这种传感器是一种全光纤传感器,灵敏度误差小于5%。图2曲率测量传感器原理图光子晶体光纤还可应用于光纤传感器的光信号调解。2005年，YangXiufeng等设计出一种全光纤结构的光纤布拉格光栅(FBG)传感器［11。在该实验装置中，利用PM-1550-01型光子晶体光纤(HiBi-PCF)构成Sagnac滤波器，实现了对光纤光栅压力信号的解调。并且发现:适当地改变HiBi-PCF的长度可以改变传感器的量程和灵敏度。4)PCF光栅传感器光纤光栅传感器是将光纤光栅作为敏感元件的一类光纤传感器，它一般通过外场作用下光栅中心波长的变化来获取外界信息，具有传感探头结构简单、抗干扰能力强、重复性好和便于组成传感网络等优点，已经成为当前光纤传感领域的研究热点。但是，普通的光纤光栅传感器也存在一些不足，如高温情况下不稳定和交叉敏感等，这给光纤光栅传感器的应用带来了一些限制，而采用由光子晶体光纤制作的光纤光栅有望解决这些问题。利用波长193nm的ArF激光在纤芯掺锗或氟，空气孔中充氢的小芯径PCF中写入高反射率的FBG，利用未倾斜的FBG获得了有限个强的包层振荡模式，在透射光谱上观察到许多强的窄带振荡，记录了关于模式振荡的压力、温度和折射率传感的实验结果，并和传统单模光纤比较。我们识别出了关于压力、温度和折射率相关的传感振荡之间有明显的区别，并利用数值模拟解释了这种现象。讨论了潜在的模式振荡的多参量光学传感器应用。图3为得到的传输光谱，其中存在几个反射峰，最大的即最右边的为纤芯基

模的反射峰，峰值较小的几个为包层模式的反射峰，由于存在长周期光栅，使得光从纤芯模式耦合到包层模式，包层的空气孔对模场有一定的约束作用，包层模式的损耗较小，能够传输一段距离。比较这种方法和传统光纤（SMF-28）光栅得到的传感灵敏度，应力传感灵敏度增加了10%，温度传感灵敏度从9.579pm/oC增加到10.47pm/oC。当利用这种传感器测量样品折射率时，纤芯模式的折射率变化不明显，包层模式的有效折射率随着样品折射率的变化而改变，引起反射峰的漂移。实验室观测到包层模式中有一种模式I,对样品折射率不敏感，如同纤芯模式，这样就可以将这种模式用作补偿。图4图3图4图35：：由于长周期光栅产生的纤芯模式向包层模式耦合需要满足相位条件：Wavelength（nm）W[nc°⑴-n/九）]AG，其中AG为光栅周期，nco,ncl分别为纤芯和包层模式对应的有效折射率。空气孔中的折射率变化，导致包层模式的有效折射率的变化，从而导致谐振波长的漂移，不同周期的光栅，漂移的量不同。结果如图4所示。波长随折射率的变化满足下面这种关系，其中f ，f‘分别为纤芯和包层模式的模场u,cou,cl面积，d九rdd九rdnrd(n -n) 2nOC co C—Qconrcodnr(fu,co - fu,cl )u,co u,cl包层模式的模场面积远远大于纤芯模式的模场面积，因此可以通过改变光纤的结构来获得灵敏度更高的折射率传感器。4总结与展望光子晶体光纤具有新颖的结构和独特的光学特性，随着光纤制造技术的不断发展，光子晶体光纤的特性会不断地在传感技术中得到开发、应用。光子晶体光纤传感器今后的发展重点将是网络化、集成化、全光纤化以及新传感机理和方案的探索。参考文献：[1].KNIGHTJC,BIRKSTA,RUSSELLPSJ,etal.Allsilicasingle-modeopticalfiberwithphotoniccrystalcladdingOpticsLetters,1996,21(19):1547-1549.. 姚培军，明海，光子晶体光纤，光电子技术与信息，2002,15(6):6-11.. HOOYL,JNW,HOHL,etal.Measurementofgasdiffusioncoefficientusingphotoniccrystalfiber.IEEEPhotonTechnologyLetter,2003,15(10):1434-1436..JENSENJB,HOBYPE,EMILIYANOVG,etal.Selectivedetectionofantibodiesinmicrostructuredpolymeroptrialfibers.OpticsExpress,2005,13(15):5883-5889.. PICKRELLG,PENGW,WANGA.Random-holeoptrialfiberevanescent-wavegassensing.OpticsLetters,2004,29(13):1476-1478.. HOOYL,JNW,HOHL,etal.Gasdiffusionmeasurementusinghollow-corephotonicbandagefiber.SensorandActuators:chemical105,2005:183-186..LARSR,OLEB,Highlysensitiverefractometerwithaph