基于實芯光子晶體光纖的本征型法布里?珀羅溫度傳感器

基于實芯光子晶體光纖的本征型法布里?珀羅溫度傳感器

付興虎1，2，?，謝海洋1，劉 濤1，郭 朋1，付廣偉1，2，郭 璇1，2，畢衛紅1，2

（1.燕山大學信息科學與工程學院，河北秦皇島066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北秦皇島066004）

摘 要：本文提出一種基于實芯光子晶體光纖（Photonics Crystal Fiber，PCF）的本征型法布里?珀羅干涉（Intrinsic Fabry?Perot Interferometer，IFPI）溫度傳感器。該傳感器僅需兩次電弧熔接即可制備而成。對不同腔長的傳感器進行了溫度傳感實驗，實驗結果表明，在20～90℃的溫度變化范圍內，傳感器具有較好的溫度靈敏度，且在一定長度范圍內，F?P腔長越長，靈敏度越高，最高可達16.34 pm/℃。因此，該傳感器具有制作簡單、結構穩定、靈敏度高等優點，可用于不同場合的溫度傳感領域。

關鍵詞：實芯光子晶體光纖；IFPI溫度傳感器；F?P腔；單模光纖

0　引言

溫度作為航空航天、企業生產、工程制造等領域中的生產和控制的重要參數之一，對其檢測的重要性日益凸顯。與傳統的溫度傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、質量輕、響應速度快、抗電磁干擾能力強等特點［1?3］，可用于眾多特殊環境的溫度檢測。而在眾多光纖傳感器中，光纖IFPI傳感器有著較好的發展。近年來，各種新穎的IFPI結構及其制作方法層出不窮，如基于納米薄膜［4?6］、光纖光柵［7?10］和特種光纖［11?13］等。基于納米薄膜的IFPI利用在已切平的光纖端面上鍍一層特殊材料薄膜，使增強F?P端面反射率或形成F?P腔，從而獲得對比度明顯的反射譜。然而，這種傳感器受鍍膜工藝的影響較大，因此制作復雜、成本高；基于光纖光柵的IFPI則通過使用布拉格光柵（FBGs）形成F?P的反射鏡，布拉格光柵窄帶寬的特性能輕松提高傳感器的復用數量。然而，光柵的寫入過程復雜，成本較高，且其結構的不穩定性在一定程度上限制了其應用；基于特種光纖的IFPI采用熔接的方法，將特種光纖與單模光纖熔接在一起，利用兩種光纖纖芯折射率差異造成熔接處的折射率的躍變從而形成反射，該方法制備簡單，成本較低，因而能有效地解決上述兩種結構的IFPI所存在的問題。而光子晶體光纖具有結構靈活多變、大模場面積、無限單模傳輸等諸多優點，更是在該類傳感器中嶄露頭角，有著更為廣泛的應用。

本文提出了一種微型的基于實芯PCF的IFPI溫度傳感器。該傳感器制作簡單，僅需通過簡單的電弧熔接即可制備而成。PCF纖芯與空氣之間較大的折射率差異，使其與空氣接觸的端面具有較強的反射率，從而在一定程度上增強了反射譜的對比度。同時該端面經電弧熔接后，能有效地隔絕空氣孔與外界的接觸，避免雜質或水蒸氣通過并進入F?P腔內對干涉造成影響，因而提高了實驗測量的準確度。本文分別制備了幾種不同腔長的IFPI，并將其應用于溫度的傳感實驗。

1　IFPI結構及溫度傳感原理

1.1IFPI溫度傳感器的制備

基于實芯PCF的IFPI溫度傳感器的結構如圖1所示。它是將PCF的一端通過光纖熔接機與SMF熔接，而另一端切平后經二次處理而制成的。實驗中，制作IFPI所使用的光子晶體光纖為長飛光纖光纜有限公司生產的SM?10型實芯PCF，其外包層直徑為125 μm，纖芯直徑為9.5 μm，具有3層空氣孔，呈六邊形結構排列，空氣孔直徑為2.73 μm，孔間距約為3.35 μm，熱膨脹系數為5.5× 10－7/℃，熱光系數6.45×10－6/℃；所使用的光纖熔接機為古河公司生產的S178型電弧熔接機。為使兩光纖熔接面處有較強的反射率，熔接機的放電電流設置為84 mA，預放電時間及放電時間分別設置為0.2 s和0.3 s。此時，熔接點處PCF的空氣孔完全塌陷，其顯微鏡下的圖像如圖1（a）所示。PCF空氣孔的存在，使得外界空氣中雜質與水蒸氣能通過PCF與外界空氣接觸的端面輕易進入光纖內部，從而影響F?P腔的干涉情況，致使實驗結果不準確。因此，為避免這種情況，該端面處被放置于熔接機兩放電電極中間，并放電一次處理。電弧放電使得端面處光纖受熱并結構改變，使得該處空氣孔完全塌陷，使光纖內部空氣孔與外界環境完全隔離，從而起到了密封的作用。該端面顯微鏡圖像如圖1（b）所示。

圖1　基于實芯PCF的IFPI溫度傳感器的結構圖Fig.1　Structure of the IFPI temperature sensor based on solid core PCF

1.2溫度傳感原理

基于實芯PCF的IFPI溫度傳感器的原理圖如圖2所示。R1和R2分別為PCF與SMF的熔接面和PCF與空氣接觸的端面，二者均有一定的反射率，因此構成了IFPI溫度傳感器的兩個反射面。

圖2中，光束1由于光的全反射的作用在輸入SMF中傳播；當傳輸到熔接面R1時，一部分光（光束3）由于菲涅耳反射效應反射回原SMF，而另一部分光（光束2）則會透射進入F?P腔內，并傳輸到反射面R2處；同樣，光束2在F?P腔和導出光纖的界面也會發生菲涅爾反射與透射，并產生反射光束5和透射光束4；光束5再返回傳輸到R1時，又會形成反射光束7和透射光束6；依次類推。因此，光束3、6、10等相互干涉并沿著輸入SMF反向傳輸。

R2端面外為空氣，在實驗過程中，隨著溫度的升高，外界空氣的壓強發生了變化，因而其折射率也會發生變化，從而引起R2反射率的改變。但是這種反射率的變化量是十分微小的，可以忽略不計，具體原因分析如下：

端面R2處的菲涅爾反射的反射率可表示為［14］式中，ncore＝1.458為PCF純石英纖芯的有效折射率，n為外界環境的折射率。當傳感器置于不同外界環境時，由式（1）可知R2的反射率也會發生變化，其與外界環境折射率之間的關系如圖3所示。

圖3　R2的反射率與外界環境折射率之間的關系Fig.3　Relationship between the R2reflectivity and external refractive index

如圖3所示，在反射條件滿足的情況下，即n＜ncore時，隨著外界環境折射率的增加，端面R2的反射率C的取值越小。將上述傳感器應用于溫度傳感實驗中，由文獻［15］可知，溫度的升高會引起氣體壓強的變化，從而引起空氣折射率的變化。然而，在小范圍溫度變化范圍內，這種變化是十分微小的，即實驗過程中空氣的折射率始終位于1附近。因此，從圖3中可知，實驗過程中R2端面反射率約為3.4%，考慮到熔接點處存在的熔接損耗，光束10的能量應遠低于光束3能量的0.115 6%。綜上所述，與光束3和光束6相比，經過多次反射后的光束10能量十分微小，通常可忽略不計。由此可以推斷，在小范圍溫度變化的傳感實驗中，由F?P腔兩個反射面反射后所檢測到的光的能量主要是光束3和光束6的能量。這一過程中，由于F?P腔的存在，二者的傳輸路徑不同，因此它們之間必然存在著一個光程差，并最終發生干涉。因此，當F?P腔內的折射率和光纖纖芯的折射率相差不是很大，即兩個界面的菲涅爾反射比較小時，所產生的干涉現象中起主要作用的是兩反射端面第一次反射后的光（光束3與光束6），從而多光束干涉可近似等效為雙光束干涉。反射光的光程差及光強可分別表示為式中，l為PCF的接入長度，即IFPI溫度傳感器的腔長；I1和I2分別為IFPI兩個端面的反射光強，可近似為兩端面第一次反射光的光強（光束3與光束6）；λ為自由空間光波長；φ0為兩干涉光的初始相位差。由式（3）可知，干涉條紋第m級波峰處的波長λm滿足對式（4）做一些必要的變換并聯立式（2）可得由式（5）可知，對某一確定的干涉級次，其光程差與該級次波谷處的波長成正比，即L∝λm。

將該IFPI傳感器應用于溫度的傳感實驗，隨著溫度的升高，由于熱光效應及熱膨脹效應的影響，F?P腔的長度和PCF纖芯的有效折射率會隨之而變化，從而引起光程差的改變，由式（2）可知

式中，ξ和α分別為PCF纖芯的熱光系數與熱膨脹系數。在通常情況下，光纖纖芯的熱膨脹系數和熱光系數均可視作為常數。因此，從式（6）中可以看出，F?P腔的光程差變化量與溫度的變化呈正比，即ΔL∝ΔT，聯立式（5）與式（6）可得

由式（7）可得，通過測量干涉條紋某波長或波谷處的波長的移動量，可以實現對溫度的測量。由于實驗中使用寬帶光源的范圍為1 520～1 610 nm，因此，通過式（7）可知上述3種傳感器的溫度靈敏度數量級應為10 pm/℃。從式（7）中還可以看出，當不考慮干涉光初始相位且溫度的變化量一致時，F?P腔長度越長，對應的某一確定的波峰處波長的漂移量越多，即傳感器的溫度靈敏度越高。聯合式（4）和式（7）可知，傳感器長度的增加會使得該波峰級次m的變化，當長度的變化量足以引起m的數值發生改變時，傳感器的溫度靈敏度便不再增加。傳感器溫度靈敏度與長度之間的關系如圖4所示。

圖4　傳感器溫度靈敏度與長度之間的關系Fig.4　Relationship between temperature sensitivity and sensor length

由圖4可知，在傳感器長度為16～21.3 mm的變化范圍內，對應的溫度靈敏度變化范圍為10.86～14.49 pm/℃，其溫度靈敏度與長度的變化成正比關系。此外，由于計算過程中并未考慮初始相位值，因此理論計算數值應略低于實際測量值。

2　實驗與分析

2.1實驗系統

制備腔長分別為19 mm、20 mm、21 mm的上述IFPI傳感器，3種不同腔長的傳感器在常溫下的干涉譜線如圖5所示。

搭建如圖6所示的溫度測量實驗系統，并分別將上述制備的3種不同腔長的傳感器進行溫度的傳感實驗。實驗中，所使用光源為上海飛秒光電技術有限公司生產的ASE3700型寬帶光源，波長范圍為1 520～1 610 nm；OSA是由YOKOGAWA生產的AQ6317C型光譜儀，分辨率為0.02 nm。

圖5　不同腔長的IFPI在常溫下的傳輸光譜Fig.5　Spectrum of the IFPI with different cavity length

圖6　溫度傳感實驗系統Fig.6　Experimental system diagram of the temperature sensor

2.2實驗結果與討論

將3種不同腔長的IFPI分別進行溫度的傳感實驗，傳感器被置于上述實驗系統的溫度控制箱中，且呈筆直狀態并被固定在載物片上，以排除實驗過程中引入彎曲的交叉敏感問題。參考國內外溫度傳感器方面的報道所采用的溫度變化范圍［16?18］，本實驗所選取的溫度條件范圍為20～90℃。實驗過程中，調節溫度控制箱，使得箱內溫度從20℃上升至90℃，每10℃調節一次并記錄反射光譜，每次記錄前維持溫度10 min，以減小實驗的誤差。經多次實驗后所獲得的各腔長IFPI溫度傳感器的反射光譜與溫度的變化關系如圖7所示。

取各傳感器反射光譜中波長為1 566 nm附近的波峰作為觀察點以更好觀測各傳感器反射光譜隨溫度的變化規律。由圖7可見，隨著溫度的增加，3種不同腔長IFPI的反射光譜都有較明顯的變化，觀測點處均有不同程度的紅移現象。為了更好區分3種不同腔長的IFPI的溫度靈敏度之間的差別，對圖7中三者在觀察點處的峰值漂移量進行數據擬合分析，得到各傳感器在該波峰處波長的漂移量與溫度之間的關系如圖8所示。

由圖8可見，隨著溫度的升高，3種不同腔長的IFPI的反射光譜向長波長方向漂移，即發生紅移現象。對應的溫度靈敏度分別為13.57 pm/℃、14.99 pm/℃、16.34 pm/℃，且均具有較好的線性關系。綜上所述，3種不同腔長的IFPI均具有較好的溫度靈敏度，數量級均為10 pm/℃，且傳感器的溫敏特性與F?P腔的長度成正比，與之前的理論分析十分吻合。因此，該類型傳感器能較好的應用于溫度的傳感領域。

圖7　IFPI的傳輸光譜與溫度的變化關系Fig.7　Relationship between the spectrum and temperature

圖8　1 566 nm附近波峰的波長漂移值與溫度之間的關系Fig.8　Relationship between the wavelength shift near 1 566 nm and temperature

3　結論

本文提出一種基于實芯PCF的IFPI溫度傳感器，它是在PCF的一端通過光纖熔接機與SMF熔接，而另一端切平后經二次處理后制備而成的。文中首先分析了此類IFPI的傳感機理，并理論計算了其溫度靈敏度，隨后在其他外界條件基本保持不變的情況下，對腔長分別為19 mm、20 mm和21 mm的傳感器進行溫度傳感特性的研究，溫度變化范圍為20～90℃。實驗結果表明，3種不同腔長的IFPI傳感器具有不同的溫度靈敏度，分別為13.57 pm/℃、14.99 pm/℃、16.34 pm/℃，均具有較好的線性度，且與理論分析有較高的一致性。因此，該制作簡單、結構穩定、性能優良的傳感器能較好地應用于溫度的傳感領域。

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Intrinsic Fabry?Perot interferometer temperature sensor based on solid core photonic crystal fiber

FU Xing?hu1 2XIE Hai?yang1LIU Tao1GUO Peng1FU Guang?wei1 2GUO Xuan1 2BI Wei?hong1 2

1.School of Information Science and Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China 2.The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractA novel intrinsic Fabry?Perot interferometer IFPI temperature sensor based on solid core photonic crystal fiber PCF is proposed in this paper.It is easy to fabricate by fusion splicing method.Different cavity length of this sensor are prepared and then its emperature sensing properties are demonstrated experimentally.The experiments result show that all of them have good temperature ensitivity in the range of 20～90℃ and with the increase of F?P cavity length which varies in a short range the temperature sensi?ivity is gradually increased and can up to 16.34 pm/℃.Therefore this sensor has many advantages such as simple?produced stable tructure good linearity and so on and can be used in temperature sensing field.

Key wordssolid core photonic crystal fiber IFPI temperature sensor F?P cavity single mode fiber

文章編號：1007?791X（2015）02?0114?06

作者簡介：?付興虎（1981?），男，河北故城人，博士，講師，主要研究方向為特種光纖傳感，Email：fuxinghu＠ysu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61205068，61475133）；河北省科技計劃資助項目（13273305，12963550D）；河北省高等學校青年拔尖人才計劃項目（BJ2014057）；燕山大學“新銳工程”資助項目；燕山大學信息學院優秀青年基金資助項目（2014201）

收稿日期：2014?07?13

DOI：10.3969/j.issn.1007?791X.2015.02.003

文獻標識碼：A

中圖分類號：TN253