光子晶體光纖氣體傳感器*

邊 靜(唐山學院基礎教學部 河北 唐山 063000)

光子晶體光纖氣體傳感器*

邊 靜
(唐山學院基礎教學部 河北 唐山 063000)

光纖傳感器因其具有體積小、抗電磁干擾、靈敏度高、可以形成分布式測量等優勢，成為傳感領域研究的熱點之一.介紹了光子晶體光纖氣體傳感器的基本原理、分類及最新研究進展，并指出了今后研究需要解決的問題.

光子晶體光纖 氣體傳感器 折射率

光纖傳感技術是以石英光纖或塑料光纖作為信息的傳輸媒介，信號光作為信息的載體，利用外界環境因素的改變使得光在光纖中傳播的波長(或頻率)、光強及相位等特征物理參量發生改變，從而對外界因素進行傳感測量的技術[1].相比于傳統的電化學傳感，光纖傳感器擁有許多優越的性能，如體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾、可用于易燃易爆等危險環境，能進一步滿足遠距離測量需要，并可以實現分布式傳感.光纖傳感器有極為廣泛的應用范圍，適用于工業過程控制、環境保護、安全生產、國防及航天等領域的多物理量檢測.

1 傳統光纖和光子晶體光纖

1970年，康寧公司率先研制出了世界上第一根衰減低于20 dB/km的石英玻璃光纖，從此拉開了光纖研制和光纖通信研究的序幕.這種傳統光纖的纖芯為石英摻雜材料，其折射率為n1，包層為純石英材料，其折射率為n2(n1>n2).當光在光纖內傳輸時，傳導模的模式有效折射率表示為neff，neff必須滿足條件：n2

20世紀末，在二維光子晶體基礎上發展起來一種新型光纖——光子晶體光纖.光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)又稱微結構光纖或多孔光纖，它通過層中沿軸向排列的微小空氣孔對光進行約束，從而實現光的軸向傳輸[2].獨特的波導結構與導光特性，使得光子晶體光纖相比于常規光纖具有許多無可比擬的傳輸特性.光子晶體光纖根據導光機理的不同，可以分為折射率引導型光子晶體光纖和帶隙型光子晶體光纖.折射率引導型光子晶體光纖包層由空氣孔和石英形成，纖芯為石英，其包層有效折射率低于纖芯的折射率，因而能夠滿足全內反射原理.與實芯光子晶體光纖不同，空芯光子晶體光纖的纖芯折射率比包層的折射率要低，無法滿足全內反射要求，但是由于光子帶隙效應,仍然可以將光限制在低損耗的空氣纖芯內傳播.

2 光子晶體光纖氣體傳感器的優勢

傳統光纖由折射率不同的纖芯和包層組成, 基于傳統光纖的氣體傳感器，要用化學蝕刻、機械拋光、光纖拉錐等工藝對光纖進行加工，去除部分包層，實現導光與被檢測物質的反應，從而改變光波參數，實現光纖傳感[7～10].這些光纖處理技術會損傷光纖，且被測量樣品與光纖模場倏逝波的相互作用比較微弱，難以制作高靈敏度的傳感器.

與傳統光纖相比，空芯帶隙光子晶體光纖可將光波限制在中心空氣孔內進行傳播，光纖空芯孔區域的光功率可達95%以上.待測氣體經過擴散或者其他方法填充在光子晶體光纖中心的空氣孔區域，吸收光纖內的激光，改變輸出的光強.人們通過檢測光信號的變化，可以測量氣體的濃度.由于光子晶體光纖具損耗低、易彎曲，可以用于長距離光信號的傳輸，這是其相對于傳統光纖最大的優勢.

3 光子晶體光纖氣體傳感的研究進展

光子晶體光纖傳感器可以測量多個物理參量的變化，如聲、磁場、電流、氣體或液體的折射率、溫度、濃度、靜壓力和張力等.近年來，已有多個課題組進行了基于光子晶體光纖的氣體傳感器的研究，實現了對甲烷、硫化氫、二氧化碳和乙炔等氣體的傳感測量[3～7].

2001年，香港理工大學首次報道了運用全固態光子晶體光纖倏逝波檢測乙炔氣體的實驗[3]，采用直接吸收光譜技術，由于此類光纖中模場分布主要集中在二氧化硅中，未能取得理想的實驗結果，氣體檢測靈敏度低至5%.

2004年，Y.L.Hoo等人報道了空芯光子帶隙光纖中乙炔氣體擴散測量實驗[4]，根據氣體分子吸收光譜原理，通過測量光纖中光強曲線，監測光纖空芯內的氣體濃度.實驗結果表明，氣體在10 cm長度的空芯光纖自由擴散，濃度達到90%的響應時間約1 min，這一響應速度難以實現氣體傳感的實時監測.為解決這一難題，該課題組進行了多年研究.

2010年，Y.L.Hoo 課題組取得突破性進展，報道了一種快速響應和高度敏感的空心光纖甲烷傳感器[4].運用飛秒激光加工技術在空芯光子晶體光纖的側面打孔，使得氣體進入孔洞與纖芯直接接觸，將響應時間減小至 3 s，克服了該類氣體傳感器實時性差的缺點，且所開微孔尺寸很小，不會引起大的損耗，也可適用于長光纖傳感.

2011年，Kyung Shik Lee 等人在帶隙型光子晶體光纖上刻錄光柵[5]，并運用波長調制技術，將激光波長調制到特定的乙炔氣體吸收譜線上，通過觀察乙炔衍射光譜的變化，反映氣體溫度、濃度的變化.

2012年，Shavrin I等人報道了基于PCF的 Mach-Zehnder干涉型的氣體傳感器[6]，將干涉儀的兩個臂分別連接單模光纖與空芯光子晶體光纖，在空芯光子晶體光纖內充入氣體，通過干涉條紋的變化測得的折射率分辨率高達 4×10-7.

2015 年，香港理工大學靳偉課題組報道了基于光子晶體光纖和光熱光譜分析法的超靈敏、大動態范圍全光纖的氣體傳感技術[7].該方法基于氣體分子吸收產生的光熱效應，利用其引起的周期性相位調制，結合先進的光纖干涉儀相位解調技術，實現了對氣體濃度的檢測.該實驗為探索光纖氣體傳感開闊了新的思路.

4 光子晶體光纖氣體傳感的關鍵技術

為了提高光子晶體光纖氣體傳感器的性能，需要解決以下關鍵問題：

(1)提高響應速度.可行的方法有采取泵浦法促進氣體擴散，采用多段光子晶體光纖連接，采用飛秒激光加工技術對光纖進行側面開孔，采用動態氣體流通的方法.

(2)光纖處理技術.如何在低損耗情況下實現單模光纖與光子晶體光纖的連接，以及對光纖接頭的保護層進行處理.

(3)高穩定光源及其驅動技術.盡量采用高穩定性激光器驅動器，減少光路抖動產生的誤差.

(4)信號處理技術.采用波長調制技術與鎖相放大技術，可以有效地抑制噪聲，提高氣體檢測靈敏度.

(5)單模空芯光子晶體光纖制備技術.模間干涉會影響傳感器的穩定性及檢測靈敏度，是導致測量誤差的主要因素.

5 結束語

光纖氣體傳感器有著更為廣闊的應用前景，需要人們不斷探索.如何利用現有的數字信號處理技術，進一步降低光學噪聲，提高光路穩定性，縮短實驗的響應時間，提高光子晶體光纖氣體傳感系統的性能，成為今后國內外科研機構的主要研究方向.

1 張麗.光子晶體光纖傳感器的傳感特性研究:[學位論文].天津:天津理工大學,2014.1～56

2 沈修鋒.光纖傳感器的制作工藝及工程應用研究:[學位論文].北京:北京理工大學,2015.1～67

3 周金龍.新型光纖光柵技術及其在光通信與光纖傳感方面應用的研究:[學位論文].廈門:廈門大學,2008.1～118

4 趙娜等.基于光纖粗錐型馬赫-曾德爾干涉儀的高靈敏度溫度傳感器的研制.光譜學與光譜分析,2014,34(6):1722～1726

5 李濤.光纖光柵濕度傳感器的研究:[學位論文].杭州:中國計量學院,2012.1～67

6 陳金平.基于Mach-Zehnder干涉的光纖傳感器的特性研究:[學位論文].寧波:寧波大學,2014.1～56

7 黃小亮.基于光子晶體光纖和紅外吸收光譜的氣體傳感系統的研究:[學位論文].長春:吉林大學,2016.1～88

2017-03-02)

*唐山學院2015年科研項目，項目編號：15008B