微结构光纤分类研究

微结构光纤分类研究

0光纤光栅传感器新传感器的设计对于传感器行业的科技创新和技术进步具有重要意义。新传感器的开发结构新颖且功能多样。一直是科学研究人员和员工的目标。1970年低损耗光纤的研制成功,极大地改变了传感器的设计方式,并以其具有的高灵敏度、宽频带、抗电磁干扰、柔韧灵巧、易埋植和贴敷等优良特性,使光纤传感器迅速成为传感器家族的新贵。这种低损耗光纤由纤芯、包层、涂覆层组成,因其结构简单,一般称之为常规光纤(GeneralOpticalFiber,GOF)。GOF的特点是纤芯折射率高于包层折射率,光波以全内反射方式在光纤中传输。在GOF中,通过物理的或化学的方式,可以沿纤芯轴向引入周期性的结构变化,即光纤光栅(GeneralOpticalFiberGrating,GOFG)。自1989年紫外侧写光纤光栅技术发明以来,布喇格、长周期等诸多类型的光纤光栅相继写制成功,以光纤光栅为基质的传感器的设计和研制,迅速成为新型光纤传感器的研究热点。当前,GOF的结构已经发生变革,人们凭借超凡的想象力,在GOF中引入了多种微结构。1996年出现的带有空气孔结构的光纤,使光纤的微结构化成为可能。微结构光纤(MicrostructureOpticalFiber,MOF)是一种新型波导,又称多孔光纤(HoleyFiber,HF)或光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)。MOF沿轴向均匀排列着微孔,端面存在周期性的二维结构。与GOF相比,由于引进了微结构,使MOF具有独特的光学特性:如极宽单模传输、高非线性、大模场面积、可控色散等。与GOF光栅相类似,采用紫外侧写技术或CO2热激技术,也可以在MOF中写制光栅,即微结构光纤光栅(MicrostructureOpticalFiberGrating,MOFG)。布喇格和长周期微结构光纤光栅的首次写制完成于1999年,MOFG具有比GOFG更为丰富的结构和光学特性。改变MOF中的微孔排列、大小以及占空比,双芯或多芯设计,或者将特殊介质载入微孔,均可改变微结构光纤及其光栅的光学性质,获得优于GOF及GOFG的传感特性。因此,微结构光纤及其光栅的出现,为新型光纤传感器的设计与研制提供了广阔的创造空间。1微结构光纤的分类根据导光机理,微孔分布,介质载入,纤芯数量以及对称性等因素,微结构光纤可有多种分类方式。尽管现有文献中已有一些MOF的分类报道,但还不很系统。从对MOF传感器设计的需求考虑,作者在本文中给出MOF如下几种典型分类。1.1taolinerreflining、光子带隙型mof结构及导光机理根据导光机理的不同,MOF可分为全内反射型(TotalInnerReflection:TIR)与光子带隙型(PhotonicBandgap∶PB)MOF,其结构及导光机理如图1和2所示。1.2般大空孔面向gof的mof根据微孔尺寸与传输光波长的大小比较,MOF可分为远大于传输光波长(几十微米)的大空孔(LargeAirHole)与接近(1～3微米)或小于传输光波长的小空孔(SmallAirHole)MOF。如图3(a)为一般型大空孔MOF横截面示意图。其中,MOF包层有若干大空气孔,气孔在包层中构成环带区域,形成了外硅层、中间空气硅环带区和内硅层。因此,大空孔MOF的包层要比GOF的纯硅包层更为复杂,其实例之一为柚子型MOF,如图3(b)所示。典型的小空孔MOF如图4(a)～(b)所示。1.3mof结构的分类根据微孔分布的均匀程度,MOF可分为有序(OrdinalHole)型、无序型(ChaoticHole)以及局域有序(PortialOrdinalHole)型MOF。典型的有序型MOF如图5(a)-(b)所示,典型的无序型及局域有序型MOF如图6(a)-(b)所示。1.4顶格朗日自适应行为体系上的多芯形多芯型mof根据纤芯数量的多少,MOF可分为单芯(SingleCore)、双芯(DoubleCore)及多芯型(Multi-Core)MOF,其典型实例如图7(a)～(d)所示。1.5种纤芯形状的mof根据纤芯形状的不同,可有诸如椭圆、三角、正方、长方、菱形、六角等多种纤芯形状的MOF;根据微孔形状的不同,可有诸如椭圆、三角、矩形、菱形、柚子、梅花等多种微孔形状的MOF;根据微孔分布的不同,亦可有诸如蜂窝、正方、六角、扇形、螺旋、月牙、分层等多种微孔分布类型的MOF。2基于mog与mofg的传感头结构设计方法与技术传感器的设计,涉及传感头、信号解调、整形以及显示等方法与技术的实现,本文仅就基于MOG和MOFG的传感头结构设计进行分析和研究,同时提出一些具体的设计方法。2.1制作mof的材料具体方法如下:1、采用硅材料制作MOF,但纤芯掺杂离子(如锗、硼等);2、采用非硅材料(如镓、镧、硫化物等)制作MOF;3、采用有机材料(如聚合物PMMA等)制作MOF;4、通过镀膜、涂敷金属或非金属材料等处理MOF表面,如图8所示。2.2微孔分布的变化具体方法如下:1、微孔形状的变化:如椭圆形,三角形,正方形,菱形,柚子形等;2、微孔分布的变化:微孔的层数、数量(如占空比d/Λ)的变化,微孔分布形状的变化(如六角形、扇形、梅花形、螺旋形、月牙形等),微孔分布的对称变化等;如图9所示。3、纤芯尺寸的变化:如芯径d的增减,形状的改变(圆形、椭圆形、三角形、六角、菱形等);空心与实心等;4、MOF形状的变化:采用机械的、化学的或光学的方法,改变MOF的表面形状(如锥形,纺锤形,酒瓶形,半圆形、麻花形等)或内部结构(如在纤芯或包层上构建不同类型的光栅),如图10所示。2.3传感器件传输特性选择特殊介质(如液晶,有机物及金属线等)填充于MOF微孔之中,可以有效地改变MOF的光波传输特性,达到新型传感器件设计的目的。具体方法如下:1、对称填充方式:相对于纤芯对称填充,如“一”字型,“十”字型等;2、非对称填充方式:相对于纤芯非对称填充,如月牙型,半圆型扇型等;3、局域填充方式:特指在MOF的某些关键部位填充介质的方式,如在锥形束腰处填充等。2.4成栅位置的确定在微结构光纤中写入或刻制周期性的结构—光栅,可以对特定波段的光波进行滤波,从而实现对某一特殊波段光波的透射或反射。根据实际需要,成栅位置有以下几种情况:1、纤芯位置:由于纤芯一般是由具有掺杂的光敏离子制作而成,因此可利用紫外曝光法在微结构光纤的纤芯中写入布喇格、长周期以及其他类型的光栅。2、包层位置:利用CO2热激成栅法,电弧感应法,机械压制法,腐蚀刻槽法等,可以在微结构光纤的包层上刻制长周期及特种类型的光栅。3mof传感器根据上述传感器的构设计方法,再结合MOF的具体结构,可以设计多种类型的MOF传感器。下面提出并介绍几种典型的MOF和MOFG传感器设计及其实现方法。3.1微结构光纤传感器的设计3.1.1下纺织品中聚合物的传感特性改变MOF的表面形状使其成为锥形如图10(a)所示,在腰锥处填充某种介质,可设计MOF功率衰减型传感器,这种传感器可用于感测流体(液体、气体)的折射率或周围环境温度。一种典型的MOF折射率/温度传感器由Eggleton等人提出并实现。图11是锥形MOF传感头结构示意图。MOF束腰中的大模场与周围空气孔的相互作用,导致了纤芯模对空气孔包层界面的折射率改变非常敏感。调节温度改变聚合物的折射率,能够影响光纤中光的传播机制,从而实现传感功能。图12给出了该传感器的传感特性关系曲线,其衰减由30dB到0.8dB变化,在温度最低处插入损耗最大。实验表明:当波长在30nm(1530～1560nm)的范围内改变时,传感器的功率衰减改变大约是0.3dB。当电压为2V时,最大的功率损耗是375mW。由图可见,理论模拟与实验测量的结果吻合得比较好。尽管MOF被拉锥成很小的直径,但该传感器却很容易进行低损耗封装。3.1.2mof结构原理根据Beer-Lambert定理,基于MOF空气孔中的瞬逝场与气体吸收相互作用规律,MOF中气体浓度与光强度衰减关系可表示为:I(λ)=I0(λ)exp[−rαm(λ)lC](1)Ι(λ)=Ι0(λ)exp[-rαm(λ)lC](1)式中αm(λ)是气体的吸收系数,l是微结构光纤的长度,C是气体的浓度,r是相对灵敏度。定义r=(nr/ne)f,其中nr和ne分别是气体的折射率和微结构光纤中传导模式的有效折射率,f是在空气孔中能量的分布。MOF气体传感特性主要由相对灵敏度r来表征,即可通过合理设计微结构光纤的结构,得到较高r值的MOF。因此,通过合理设计MOF结构,可以增大其光场与待测气体的相互作用,从而提高MOF感测气体的灵敏度。我们采用全矢量有限单元法研究了三角形结构的MOF相对灵敏度。MOF的结构参数为:空气孔间距Λ=3.2μm,空气孔直径为d。针对三种不同的占空比(0.48、0.70和0.90),我们计算了空气孔大小不同情况下的相对灵敏度与波长的变化关系,其结果如图13所示。根据上述MOF传感模型及理论模拟结果,张伟刚等设计出一种表面凹陷型MOF传感器,可用于流体(液体或气体)传感,其传感结构如图14所示。利用表面处理技术(如腐蚀、抛磨等),可以加工制作上述传感头。进一步对该结构优化设计,有望实现对流体(气体及液体)特殊成分的探测。由于原先完整、封闭的MOF包层结构被破坏,故可往包层中注入对某一波段的光波具有敏感性的待测流体,利用波长调谐与功率解调相结合的方法,从接收器可获得载有待测流体信息的光谱或功率谱。进而,再结合待测流体自身的特性,从光谱或功率谱反推出待测流体的成分、浓度等重要信息。3.1.3带隙型微结构光纤缺陷模分布图刘剑飞等采用矢量平面波展开法与矢量有限元法,对可调光子带隙光纤的泄漏损耗特性进行了理论研究。图15是光子带隙边界的有效折射率和带隙型微结构光纤缺陷模分布图。图16给出了基模的泄漏损耗和有效折射率与填充材料折射率的关系曲线。我们的研究表明:通过向折射率引导型微结构光纤的空孔填充可调的高折射率材料,能够获得带隙可调的光子带隙光纤。并且,这种可调光子带隙光纤的光子带隙效应,其泄漏损耗与填充材料的折射率具有很强的依赖关系。因此,具有这种新特性的微结构光纤,可以用于设计并研制基于光功率损耗的新型微结构光纤传感器。3.1.4种传感器原理利用多芯MOF,可以设计MOF多维传感器。图17是三芯MOF传感结构及参数计算示意图,其中图示出了传感参数关系及坐标选取,这种传感器由Blanchard等人提出并实现。该三芯MOF弯曲传感器参数关系为Ψ=3d2L(2)Ψ=3d2L(2)式中d为MOF自由端的位移,L是悬臂梁的长度。于是,位移与相位差之间的关系为Δφ=3.42πdδλL(3)Δφ=3.42πdδλL(3)式中δ为两个芯之间距,λ为传输光的波长。图18为三芯MOF弯曲传感实验系统结构示意图,图19给出了三芯MOF弯曲传感实验结果。3.1.5mof结构原理最近,DavidMonzón-Hernández等人设计并实现了一种MOF高温传感器,其传感结构如图20所示,ρW、L0分别是锥形束腰的直径和长度。该光纤属于大模面积的MOF,纤芯为直径11μm的实心硅,包层为五层微孔且呈六角形分布。其微孔平均直径为2.7μm,微孔平均间距为5.45μm,外直径为125μm。在这种锥形MOF结构中,因多个模与实心的锥形束腰相互作用,导致光波传输谱具有多个干涉峰出现,图21展示了几种不同参数ρW、L0值的输出光谱图。图22给出了不同温度下LED中心波长分别为1290nm和1520nm时的输出光谱图。图23是图22(a)中最高尖峰的温度传感实验曲线。由图可见,该传感器在200～1000℃高温区间具有线性传感特性,预期有广泛的应用范围。3.1.6双折射传感技术将MOF进行某种介质的对称与非对称填充,可以改变MOF的双折射特性,从而设计并研制出MOF双折射传感器。高双折射光纤的两个重要参量为相双折射B和模双折射G,两参量定义如下式所示:B=Δn=λ2π(βx−βy)(4)G=Δn−λdΔndλ=B−λdBdλ(5)B=Δn=λ2π(βx-βy)(4)G=Δn-λdΔndλ=B-λdBdλ(5)式中Δn为折射率差,βx和βy和分别表示MOF基模的两个正交极化模的传播常数,它们可以利用带有边界条件的全矢量有限元法求得。CharlesKerbage等人对柚子型MOF的空孔不同部位进行聚合物填充,设计并实现了三种MOF双折射传感器。该传感器的填充方式及其传感特性如图24所示。张春书等人采用全矢量有限单元方法,从理论上分析了侧向压力对高双折射微结构光纤双折射特性的影响。研究结果表明,与其他报道中采用流体静压力来研究微结构光纤的双折射变化有所不同,在波长600～1700nm范围内,沿微结构光纤慢轴和快轴的侧向压力所引起的光纤相双折射和模双折射的变化并不一致。而且,沿微结构光纤的慢轴和快轴的侧向压力对微结构光纤的相双折射压力灵敏度和模双折射压力灵敏度的影响也不相同。图25给出了x、y方向分别施加300N压力时光纤横截面上Δn的变化情况。微结构光纤的相双折射的压力灵敏度随波长的变化可根据以下关系式求得:dBdf=Bf−Bf=0f(6)dBdf=Bf-Bf=0f(6)式中f表示压力。图26给出了x方向压力下dB/dfx、dB/dfy随波长的变化规律。并且,当波长为1.48μm时,dB/dfx达到极值。最近,作者等在对侧向压力作用下的柚子型微结构光纤传播常数研究过程有了新发现,即在不同方向侧向压力作用下,柚子型微结构光纤的传播常数变化不一致。研究表明:柚子型微结构光纤在x方向受到侧向应力作用时,随着侧向压力的不断增大,第7阶模式的传播常数近似线性逐渐变小,而第8阶模式的传播常数近似线性变大;在y方向受到侧向应力作用时,随着侧向压力的不断增大,第7和第8阶模式的传播常数都近似线性变大,如图27所示。该研究结果为实现二维应力或位移传感提供了一种测量方法,对微结构光纤多维传感器的设计也具有重要的指导意义。3.2微结构光纤传感器的设计3.2.1bragg温度传感特性作者等利用OFS公司生产的柚子型MOF并对其载氢敏化处理后,采用相位掩模的紫外曝光法在掺锗纤芯的柚子型MOF上成功写制了布喇格(Bragg)光栅,该光栅具有多个反射峰。通过理论模拟分析与实验传感测量,我们研究了该光栅的多个反射峰的温度和应变传感特性,并根据实验数据拟合得到了光栅随温度和应变的变化关系。图28是柚子型MOF横截面图及有限元计算模型。图29给出了柚子型BraggMOFG反射光谱图。其中,三个谐振波长峰值分别为λA=1556.87nm、λB=1554.78nm和λc=1554.04nm。该柚子型BraggMOFG温度传感特性可表示为Δλbλb=λb(T)−λ(T0)λp=ηT1ΔT+ηT2ΔT2(7)Δλbλb=λb(Τ)-λ(Τ0)λp=ηΤ1ΔΤ+ηΤ2ΔΤ2(7)式中ηT1=(1/λb)×(dλb/λdT),ηT2=(1/2λb)×(dλ2bb2/λdT2),分别表示光栅的一阶和二阶温度灵敏度系数。可见,温度传感具有二次曲线特征。而应变传感则具有准线性特征,其关系式可表示为Δλbλb=χ′ε(8)Δλbλb=χ′ε(8)式中χ′表示MOFG的基模与包层模耦合时反射峰波长变化与应变关系系数。图30和图31分别给出了柚子型BraggMOFG三个楷振波长与温度、波长与应变之间的关系曲线。3.2.2长周期mofg传感器的基础长周期MOFG是包含着大尺寸(几百微米)沿着纤芯的周期性微扰的光栅。与布喇格MOFG相比,从传感器设计与研制前景考虑,长周期MOFG传感器的优势是对温度、应变和外加的折射率和弯曲非常敏感,而其对于各种被测量的敏感性则依赖于纤芯和包层的色散特性。目前,人们已能够利用多种方法获得长周期MOFG,如CO2热激成栅法,电弧感应法,机械压制法,腐蚀刻槽法等。3.2.2.空气硅包层的表面温度传感实验布喇格型MOF传感器的传感范围较窄,因而其实际应用受到一定程度的限制,利用长周期MOFG可以设计宽带温度MOF传感器。2000年,Eggleton等人在如图32(a)所示的空气硅包层MOF上(掺锗纤芯),首先写入周期为550的长周期MOFG;然后,在MOF的包层气孔中注入丙烯酸聚合物(室温下其折射率略大于硅玻璃折射率),通过紫外光照射加速聚合物的凝固;最后,对这种空孔填充后的长周期MOFG进行温度传感实验,其结果如图32(b)所示。由图可见,在25～120℃温度区间,其谐振波长漂移量超过150nm,是GOF漂移量的十几倍。由于这种宽带长周期温度MOF传感器利用了聚合物折射率随温度增加而减小的特性,因此可用来研制大范围宽带调谐滤波器。3.2.2.嵌入长周期光栅的传感检测2004年,Dobb等人在BlazePhotonics提供的无限单模传输MOF(纯硅纤芯和包层:芯径12μm,周围环绕54个空气孔,相邻孔间距8μm)上,用电弧感应技术写制了长周期MOFG。在无张力情况下,该光栅的周期为500μm,长度为25.5mm,其透射谱如图33所示。图中包括两个透射峰,分别位于1239nm和1409nm处。研究表明:这种长周期光栅具有温度不敏感特性,可用于温度不敏感的弯曲及应变MOFG传感器的设计。对长周期MOFG弯曲灵敏度的测量,是根据钳拉两端固定的MOFG中间位置,通过位移平台向内的移动来实现MOFG的弯曲。当长周期MOFG正处于固定端的中间位置时,产生的曲率R可表示为R=2dd2+L2(9)R=2dd2+L2(9)式中d是弯曲的挠度位移,L是光纤钳制点距离的一半。图34给出了曲率0～1.81m-1范围变化时的响应光谱图。由图可见,当曲率增大时,中心波长向长波漂移。其中,嵌入图为该光栅透射波长随曲率变化的传感实验结果。当曲率为1m-1时,弯曲灵敏度为dλ/dR=3.7±0.1nm·m。应变灵敏度的测量是通过将长周期MOFG的一端固定,另一端随着位移平台移动产生应变,观察1409nm透射峰的漂移而实现的。图35给出了应变0～1.98mε范围变化时的响应光谱图。其中,嵌入图为该光栅透射波长随应变变化的传感实验结果。应变灵敏度为dλ/dσ=-2.04±0.12pm/με。灵敏度为负值表明,随着应变的增加,其透射波长向短波方向漂移。3.2.2.多通道mofg空孔定位及透射光谱2002年,Kerbagea等人设计了一种柚子型MOF介质(高折射率或低折射率)空孔定位移动器件,通过改变温度或加载电压来控制介质与光栅的位置,使模场与介质有效地相互作用,从而实现调谐长周期MOFG中心波长的漂移及幅度大小之目的。图36给出了柚子型长周期MOFG介质空孔定位及透射光谱。图36(a)显示介质(高折射率流体)与光栅有一定距离(5cm),加热装置也远离光栅位置。加载电压产生的热流使空孔中的空气膨胀,推动高折射率流体移向光栅产生交叠,使高阶模折射进入流体之中,导致光功率损耗。另一方面,由于流体与光栅区域交叠,导致耦合系数下降。图36(b)显示,长周期MOFG除了中心波长幅度迅速衰减之外,同时也向长波方向有些漂移。图37给出了柚子型长周期MOFG低折射率流体空孔定位及透射光谱。其中,加热装置靠近光栅位置,且介质(低折射率流体)位置与光栅接近平行。这时,加载电压产生热流,降低流体的折射率值,导致长周期MOFG的中心波长产生漂移,但幅度衰减较慢。4微结构光纤光栅由上述分析可知,微结构光纤是设计、研制微结构光纤传感器的物质基础,而微结构光纤光栅则进一步丰富了光纤的结构和性能。因此,加强对微结构光纤及其光栅的结构分析和研究,对设计并研制新型微结构光纤及其光栅传感器意义重大,也是光纤技术领域的热点研究课题。4.1非对称非均匀多芯设计的展望对于微结构光纤的未来发展,作者认为下述三种类型应予特别关注:1、多芯微结构光纤:目前已有四芯微结构光纤的报道。此类微结构光纤比较适用于干涉型或损耗型传感器的设计,可用于多维、多参数及流体(气体、液体)的感测。目前多芯的设计大多采用对称或均匀分布的方式,而且各个芯的性质相同。对此,作者指出:今后亦可根据不同需求,探索非对称或非均匀分布的多芯设计,而且各个芯的性质亦可有所不同(如几何形状、折射率、电磁性质、热学性质、力学性质以及光敏性等),以期获得结构及性能更为丰富的多芯微结构光纤。2、高双折射微结构光纤:可采用预填充及后填充等方式设计实现。预填充是指在微结构光纤拉制之前,预先在光纤横截面上的特定位置以“填充”的方式增大或降低该区域的折射率。后填充是指在微结构光纤拉制之后,根据需要在光纤横截面上的特定位置以某种介质加以“填充”来增大或降低该区域的折射率。作者指出:应寻求特殊的“填充”介质,进一步提高微结构光纤的双折射效应,以有效地控制微结构光纤的传播常数。3、带隙型微结构光纤:在已出现的微结构光纤当中,光子带隙光纤是非常引人瞩目的一种。该光纤具有光子带隙,这种能带结构,因此具有与传统光纤完全不同的传导机制,颠覆了传统观念。通过在包层微孔中填充高于纤芯折射率的介质,或者在微孔中置放特殊的物质,均可获得光子带隙。作者指出:探索并筛选适宜的介质,利用介质的力学、热学、电磁以及光敏特性等,有望更好地实现对光子带隙的主动或被动调谐。4.2改进微结构光纤制作工艺总体而言,与传统的光纤光栅相比,微结构光纤光栅在写制手段上并无大的突破,但仍呈现出一些令人瞩目的新动向和新思路:1、寻找光敏性材料,直接写制MOFG:微结构光纤仅通过一种拉制材料(玻璃或聚合物)即可实现单模传输。若该材料本身对紫外光具有光敏性,则光纤拉制时无须对纤芯掺杂即可直接写入光栅。2005年Dobb等人报道了由一种光