基于光子晶體光纖倏逝波耦合海水鹽度傳感機理研究

摘 要：光子晶體光纖倏逝波傳感器是近年來發(fā)展起來的一項光學(xué)檢測技術(shù)，利用光子晶體光纖導(dǎo)光機制和模式特性來對溫度、壓力、液體濃度等參數(shù)進行精確測量。

關(guān)鍵詞：光子晶體光纖；倏逝波傳感器；鹽度

1 引言

光纖倏逝波傳感器是發(fā)展最快，最有前途的一種光學(xué)傳感器。近年來，隨著PCF制備及其熔接技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)外研究學(xué)者采用熔接法先后制作出多種PCF倏逝波傳感器。光子晶體光纖倏逝波傳感器對液體濃度進行檢測時，只需將傳感器放置在待測液體樣品池，通過液體對倏逝波場的吸收，再與原傳輸光進行耦合并與纖芯基模發(fā)生干涉，通過計算得到液體濃度。具有無損、快速準(zhǔn)確等特點。2003年P(guān). V. Preejith等人[1]采用光纖倏逝波傳感技術(shù)來檢測蛋白質(zhì)含量的傳感器。2009年Anna V. Hine等[2]人提出了光纖光柵和倏逝波傳感技術(shù)來檢測DNA雜交實時監(jiān)測傳感器，最長監(jiān)測時間高達(dá)一小時。

2 基于PCF的倏逝波傳感器的相對靈敏度的數(shù)值分析

本文利用矢量有限元法計算光子晶體光纖中的場分布，分析光纖傳輸模式的傳輸常數(shù)和模式的有效折射率，研究光子晶體光纖中的倏逝場的特性。

為了研究光子晶體光纖的幾何參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)對于位于空氣中能量占光纖傳輸模式的能量的比重的影響，本文利用數(shù)值分析方法分析了六角格子排列的光子晶體光纖的倏逝場的特性，光纖的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，包層由4層空氣孔構(gòu)成，纖芯由缺空氣孔形成的。

2.1 占空比對于倏逝場的相對靈敏度的影響

圖1為該結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的基模的場分布，能量主要被限制在纖芯中，極少部分的能量進入包層的空氣空中。本文比較了空氣孔排布都為六角結(jié)構(gòu)而占空比不同的光子晶體光纖的倏逝場的分布的不同及作為傳感器的靈敏度的差異。在利用有限元法進行數(shù)值分析時，空氣孔中的折射率設(shè)定為1，波導(dǎo)材料石英的折射率設(shè)定為 1.45，這里忽略了純石英的材料的折射率隨波長的變化。

本文考慮占空比對相對靈敏度的影響，在此，本文通過光子晶體的孔間距不變由改變孔大小來改變光子晶體光纖的占空比和光子晶體的孔直徑大小不變，由改變孔間距來改變光子晶體光纖的占空比這兩種情況分別進行研究。

（1）光子晶體的孔間距大小不變，由改變孔大小來改變光子晶體光纖的占空比。

圖2為孔間距∧=0.8？滋m，孔直徑大小分別為d=0.64？滋m、d=0.72？滋m的光子晶體光纖相對靈敏度的比較。

圖2 ∧=0.8？滋m不變，d為0.64？滋m、0.72？滋m的PCF相對靈敏度的比較

由圖2可知，在光子晶體光纖的孔間距不變的情況下，孔直徑不同，其相對靈敏度都隨歸一化波長的增加而增大，且同一歸一化波長的情況下直徑越大，相對靈敏度越高。

（2）光子晶體的孔直徑大小不變，由改變孔間距來改變光子晶體光纖的占空比。

圖3為孔大小不變d=0.72？滋m，孔間距分別為∧=0.8？滋m、∧=0.9？滋m的光子晶體光纖的相對靈敏度的比較。

圖3 孔大小不變d=0.72？滋m，孔間距分別為∧=0.8？滋m、

∧=0.9？滋m的PCF的相對靈敏度的比較

由圖3可知，在光子晶體光纖的孔直徑不變的情況下，孔間距不同，其相對靈敏度都隨歸一化波長的增加而增大，且同一歸一化波長的情況下孔間距越小，相對靈敏度越高。

由六角格子的占空比的定義為：

由此可知，不管是增加光子晶體孔的直徑，還是減小光子晶體的孔間距都相當(dāng)于增大了光子晶體的占空比，在歸一化波長一樣時，占空比越大，光子晶體光纖的相對靈敏度越大。根據(jù)分析的結(jié)果可知，相同的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)下提高空氣包層的占空比就能提高倏逝場的靈敏度。但是由于受到制造工藝的限制，光子晶體光纖的占空比不能無限的增大。現(xiàn)在的工藝水平條件下，占空比大于0.9的光子晶體光纖很難制造。

2.2 纖芯對于倏逝場的相對靈敏度的影響

光子晶體光纖的纖芯都是由中心缺一個空氣孔形成的。下面我們利用數(shù)值分析研究纖芯由缺兩層空氣孔形成的光子晶體光纖的倏逝場的相對靈敏度于缺一層空氣孔形成纖芯的光子晶體光纖的倏逝場相對靈敏度的差異。我們選取的光子晶體光纖的空氣占空比為0.8，0.9的兩種光子晶體光纖。

圖4 纖芯由缺一層空氣孔和缺兩層空氣孔形成的兩種光子晶體

光纖倏逝場傳感器的相對靈敏度隨歸一化波長變化的比較

圖4反映的是纖芯不同的光子晶體光纖作為倏逝場傳感器的相對靈敏度隨歸一化波長變化的趨勢。兩種光纖的空氣孔間距A是相等的，包層的空氣孔層數(shù)也是相同的。從圖中我們可以看出纖芯的大小對于倏逝場的相對靈敏度的影響很大。纖芯小的光子晶體光纖的倏逝場的相對靈敏度遠(yuǎn)大于纖芯大的光子晶體光纖的倏逝場的相對靈敏度。同時可以看出少兩層空氣孔的兩種占空比不同的光纖的倏逝場的相對靈敏度差異在選取的歸一化波長范圍內(nèi)的差異很小。少一層空氣孔的兩種占空比不同的光纖的倏逝場的相對靈敏度差異大于纖芯較大的光纖。所以減小纖芯可以有效地提高光子晶體光纖的倏逝場的相對靈敏度。

經(jīng)過數(shù)值分析，通過減小空氣孔間距和纖芯的大小，提高空氣孔的占空比就可以提高光子晶體光纖空氣孔中能量的比重，就可以提高光子晶體光纖的倏逝場的相對靈敏度。在考慮光子晶體光纖的相對靈敏度時，還應(yīng)考慮光子晶體光纖的纖芯模式的模場面積，當(dāng)模場面積過小時就會導(dǎo)致較強的非線性效應(yīng)，通過增加纖芯的大小，減小空氣的占空比就可以增加模式面積。但是這會影響光子晶體光纖的相對靈敏度，因此適當(dāng)?shù)睦w芯半徑可以在稍微減小光子晶體光纖的倏逝場的相對靈敏度的前提下降低非線性效應(yīng)的影響。

參考文獻(xiàn)

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