光子晶體光纖傳感器的研究進展

1、2008年第2期儀表技術與傳感器InstrumentTechniqueandSensor2008No12光子晶體光纖傳感器的研究進展蘇紅新,王坤,崔建華,郭慶林(河北大學物理科學與技術學院,河北保定071002)摘要:簡要介紹了光子晶體光纖的基本結構、導光原理和主要特性。依據(jù)傳感機理將光子晶體光纖傳感器分為4類:吸收型光子晶體光纖傳感器、熒光光子晶體光纖傳感器、干涉型光子晶體光纖傳感器、光子晶體光纖光柵傳感器,分別對其工作原理、結構、特點和研究進展進行了討論。關鍵詞:光子晶體光纖;傳感器;消逝波;熒光;干涉儀;光纖光柵中圖分類號:TP212文獻標識碼:A文章編號:1002-(02-Resear

2、chlSensor2Kun,CUIJian2hua,GUOQing2lin(CollegePhysicaScienceandTechnology,HebeiUniversity,Baoding071002,China)Abstract:Thebasicstructure,guidingprincipleandthecharacteristicsofthephotoniccrystalfiberwereintroducedbriefly.Accordingtotheprincipleofsensing,photoniccrystalfibersensorsaredividedintofourki

3、nds:theabsorbablephotoniccrystalfi2bersensors,thefluorescentphotoniccrystalfibersensor,theinterferentialphotoniccrystalfibersensorsandthephotoniccrystalfibergratingssensor.Themechanism,structure,characteristicsandtheprogressofthesephotoniccrystalfibersensorsweredis2cussedrespectively.Keywords:photon

4、iccrystalfiber;sensor;evanescentwave;fluorescence;interferometer;fibergrating0引言段可維持單模運行;它還有良好的色散特性,并且零色散點可以通過調整空氣孔的直徑來進行調節(jié);它的模場面積可以根據(jù)需要進行靈活設計,通過對橫截面結構設計,還可以得到高雙折射光纖。另外,這種光纖還有彎曲損耗小、可控的非線性等其他的優(yōu)點。PBG型光子晶體光纖一般也是由石英材料構成,但是其纖光纖傳感器具有靈敏度高、抗干擾、結構簡單、體積小、質量輕、光路可彎曲、對被測介質影響小、便于形成網(wǎng)絡等優(yōu)點,有著廣泛的應用前景。然而,采用普通光纖作為敏感元件的

5、光纖傳感器存在一些難以克服的缺點,如:耦合損耗較大、保偏特性差和存在交叉敏感問題等,限制了光纖傳感器性能的進一步提高。20世紀90年代中期1,研制出一種光子晶體光纖(Photoniccrystalfiber,PCF)。這種光纖具有許多優(yōu)點2,如:無截止的單模特性、低損耗特性、靈活的色散特性、可控的非線性、極強的雙折射效應以及可進行微結構設計改造等,采用光子晶體光纖構成的光纖傳感器有望解決這些問題。近年來,光子晶體光纖傳感器受到各國研究人員的重視3-5,已經(jīng)有相關的研究報道。1光子晶體光纖簡介芯(一般是空氣或真空的)的折射率比包層的有效折射率要低,如圖1(b)所示。它的導光原理基于光子帶隙(PB

6、G)效應,這與傳統(tǒng)的光纖有著本質的不同,因此又稱為PBG光纖。這種光纖包層中的氣孔必須按周期排列,從而形成二維光子晶體結構,在包層中形成了二維光子帶隙。但是,由于的纖芯折射率比包層中空間填充模(spacefillingmode)的有效折射率低,這樣就在二維帶隙中產(chǎn)生一個缺陷,形成不完全的光子帶隙結構,PBG光纖就是用這種不完全的光子帶隙結構來導光的。由于PBG光纖中的大部分光都集中在中空的芯區(qū),所以光在進入光光子晶體光纖(PCF),也稱為微結構光纖(Microstruc2turefiber)或者多孔光纖(Holyfiber)。根據(jù)其導光機制的不纖時沒有菲涅耳反射,因此耦合效率很高;并且與材料本

7、身有關的吸收損耗、色散效應和非線性效應等都會大大降低。同,一般可分為兩種:一種是全內反射(TIR)型光子晶體光纖;另一種是光子帶隙(PBG)型光子晶體光纖。典型TIR型光子晶體光纖一般由石英材料構成,其纖芯是實心的,而包層為多孔結構,截面如圖1(a)所示。存在氣孔的目的是減小包層的有效折射率,使纖芯折射率比包層的有效折射率高,從而把光子限制在纖芯中。這種光纖最主要的特點是具有無截止的單模特性,從近紫外到近紅外全波(a)TIR型PCF(b)空氣芯PBG型PCF基金項目:河北省教育廳博士基金(B2004502);河北大學博士基金(2004028);河北省基金預研項目(2005Y12)收稿日期:20

8、07-04-30收修改稿日期:2007-09-29圖1PCF截面圖由于光子晶體光纖具有上述獨特的結構和導光特性,使其第2期蘇紅新等:光子晶體光纖傳感器的研究進展體光纖很容易被污染,而且清洗較復雜。2.2熒光型PCF傳感器7不僅可以作為敏感元件(或傳輸元件)代替普通光纖構成傳感器,提高已有光纖傳感器的性能,而且能夠開發(fā)出各種基于自身特點的新型光纖傳感器。2光子晶體光纖傳感器2.1吸收型PCF傳感器熒光光纖傳感器以光纖為傳導介質,對熒光信號進行傳輸,再通過檢測器對熒光信號進行檢測,它可以實現(xiàn)對樣品的定量分析。普通光纖由于受到纖芯尺寸和接收角的限制,在熒光收集方面效果不夠理想,檢測靈敏度低,而采用光

9、子晶體光纖能夠很好地解決這些問題。光子晶體光纖的截面可以根據(jù)不同需要進行靈活設計。在熒光收集方面可以使用雙37是Konorov等利用后向熒。半導體激光通過直徑只有幾m的雙包層光子晶體光纖纖芯照射到樣品上,激發(fā)樣品分子發(fā)射出單光子熒光,然后利用較大的包層區(qū)域(200340m)來收集樣品的所發(fā)出的單光子熒光,最后用放置在光源附近的檢測裝置進行分析。其中探測裝置和光源放置在一起是為了降低耦合損耗和噪聲的影響。實驗中所用光子晶體光纖的損耗約為70dB/km,傳感器在15m遠的距離就能夠檢測出待測樣品。普通吸收型光纖傳感器的傳感機理基于朗伯比爾定律。利用消逝波傳感是傳統(tǒng)吸收型光纖傳感器的主要工作方式之一

10、,它的特點是探測所需要的樣品量極小(為nL量級),對濃度較低的樣品有較高的靈敏度。利用普通單模光纖的消逝波進行傳感一般需要把光纖的包層去掉,讓纖芯的消逝波直接與外部的樣品發(fā)生作用,然而,糙,引起光散射,產(chǎn)生較大的光強損失3通過把樣品填充進TIR,使通過纖芯的激光產(chǎn)生的消逝波與氣孔中的樣品發(fā)生相互作用,這樣就避免了因為光纖表面粗糙導致的光強損失。由于這種光子晶體光纖中消逝波與材料的相互作用區(qū)幾乎是重合的,因此只要增加光纖的長度,就能提高光與物質的作用,檢測到樣品的微小變化。但是,TIR型光子晶體光纖構成的光纖傳感器也存在不足。計算表明:TIR型光子晶體光纖消逝波場的光功率約占全部傳輸功率的6%,

11、因此,能量利用率比較低。相比而言,采用PBG型光子晶體光纖進行吸收傳感更有優(yōu)勢。在這種光纖構成的傳感器中,檢測樣品處于纖芯區(qū)內,由于芯區(qū)的光功率分布很高(可以達到約95%),同樣是基于光強損耗原理的吸收型PBG光纖傳感器具有更高的檢測靈敏度。Hoo等用PBG型光這是一種結構非常簡單的非接觸式檢測方法,可以廣泛應用在生物、醫(yī)藥、化學反應和環(huán)境監(jiān)測等方面。(a)原理圖(b)光纖截面圖圖3熒光PCF傳感器原理圖與所用光纖截面圖子晶體光纖進行了乙炔氣體擴散檢測的實驗6,裝置見圖2。實驗中所用的PBG光纖長度為10cm,芯區(qū)直徑大約為1015m,包層中的氣孔直徑約為313m,多模光纖與光子晶體光纖之間的

12、間隔大約是50m.當氣體室充滿乙炔氣體時,吸收峰處波長為153218312nm,分布反饋式激光器發(fā)出信號光的調制頻率保持在0133Hz.由實驗結果計算出乙炔氣體在光纖中的擴散系數(shù)D=0117552cm2/s,這與乙炔在空氣中的擴散系數(shù)(0117774cm/s)極為接近。該傳感器極快的響應速度主要因2.3干涉型PCF傳感器干涉型光纖傳感器基于傳統(tǒng)的光學干涉原理,常用的有Mach2Zehner干涉儀、Sagnac光纖干涉儀、Fabry2Perot干涉儀以及光纖環(huán)形腔干涉儀等結構。為了獲得好的干涉效應,干涉型光纖傳感器需要使用單模光纖,而且最好使用高雙折射的單模光纖。光子晶體光纖可以通過結構設計來獲

13、得高雙折射特性,同時這類光纖還有較低的溫度敏感性。2003年,Nasilowski等設計了一種高雙折射光纖8為這種PBG型光子晶體光纖具有較大的纖芯直徑(1015m).。這種光纖對溫度的敏感性顯著低于普通高雙折射光纖,但是對壓力的敏感性卻大大高于普通高雙折射光纖。2004年,Guan等也設計制造出了一種高雙折射光子晶體光纖9,這種光纖在4801620nm范圍內保偏,而且偏振串擾優(yōu)于-25dB,并且抗彎曲串擾能力極強,在彎曲半徑為10mm時偏振串擾也不會惡化。這種特性對于開發(fā)新一代的光纖陀螺有重大意義,因為偏(a)裝置圖(b)光纖截面圖圖2PCF傳感器實驗裝置圖與所用PBG光纖截面結構圖振串擾和

14、雙折射的溫度敏感性會極大地影響光纖陀螺的性能。圖410為一種遠距離測量曲率傳感器的示意圖,其基本結構就是Mach2Zehner干涉儀。實驗中采用寬帶超強二極管作為光源,其中心波長為860nm,帶寬為20nm,輸出功率約為1mW.采用的光纖是雙芯光子晶體光纖,可以看作是一個Mach2Zehner干涉儀:兩個纖芯相當于Mach2Zehner干涉儀的兩臂,一總之,吸收型光子晶體光纖傳感器具有靈敏度很高、響應速度快的優(yōu)點,這在氣體、液體、生物醫(yī)藥檢測方面有著廣泛的應用前景。當然,這種傳感器的性能也會受到某些因素的限制:被探測樣品的折射率會對出射光強有較大的影響;光子晶8InstrumentTechni

15、queandSensorFeb12008個是信號光臂,一個是參考光臂,把光源的光分成兩束相干光在兩個纖芯中傳播。通過這兩束光的干涉來得到由于外界壓力而產(chǎn)生的光程差,再由光程差計算出光纖的曲率。而且它對溫度的敏感性還很低。這種傳感器是一種全光纖傳感器,靈敏度誤差小于5%。傳感技術中得到開發(fā)、應用。光子晶體光纖傳感器今后的發(fā)展重點將是網(wǎng)絡化、集成化、全光纖化以及新傳感機理和方案的探索。參考文獻:1KNIGHTJC,BIRKSTA,RUSSELLPSJ,etal.Allsilicasingle2modeopticalfiberwithphotoniccrystalcladding.OpticsLet

16、ters,1996,21(19):1547-1549.-11.3YJINet.Measurementofgasdiffusioncoef2photEEEPhotonTechnologyLetter,1436.4NSENJB,HOIBYPE,EMILIYANOVG,etal.Selectivedetec2tionofantibodiesinmicrostructuredpolymeropticalfibers.OpticsEx2press,2005,13(15):5883-5889.5PICKRELLG,PENGW,WANGA.Random2holeopticalfibereva2nescent

17、2wavegassensing.OpticsLetters,2004,29(13):1476-1478.6HOOYL,JINW,HOHL,etal.Gasdiffusionmeasurementusinghollow2corephotonicbandgapfiber.SensorandActuatorsB:chemical105,2005:183-186.7KONOROVSO,ZHELTIKOVAM.Photonic2crystalfiberasamulti2functionalopticalsensorandsamplecollector.OpticsExpress,2005,13(9):3

18、454-3459.8NASILOWSKIT,LESIAKP,KOTYNSKIR,etal.Birefringentpho2toniccrystalfiberasamultiparametersensor.ProceedingsSymposiumIEEE/LEOSBeneluxChapter,2003:29-32.9GUANN,TAKENAGAK,SUZUKIR,etal.Highlybirefringentpho2toniccrystalfiberforawidewavelengthrange.ECOCProceedings,2004,1(70):182-184.10MACPHERSONWN,

19、GANDERMJ,MCBRIDER,etal.Remotelyaddressedopticalfibrecurvaturesensorusingmulticorephotoniccrystalfibre.OpticsCommunications,2001,193:97-104.11YangXiufeng,ZhaoChunliu,PengQizhen,etal.FBGsensorinter2rogationwithhightemperatureinsensitivitybyusingaHiBi-PCFSagnacloopfilter.OpticsCommunications,2005,250:6

20、3-68.12GROOTHOFFN,CANNINGJ,BUCKLEYE,etal.Bragggratingsinairsilicastructuredfibers.OpticsLetters,2003,28(4):233-235.13DOBBH,KALLIK,WEBBDJ.Measuredsensitivityofarc2inducedlong2periodgratingsensorsinphotoniccrystalfibre.OpticsCommu2nications,2006,260:184-191.14LARSENTT,BJARKLEVA,HERMANNDS,etal.Opticald

21、e2vicesbasedonliquidcrystalphotonicbandgapfibers.OpticsEx2press,2003,11(20):2589-2596.15HAAKESTADMW,ALKESKJOLDTT,NIELSENMD,etal.E2lectricallytunablephotonicbandgapguidanceinaliquid2crystal2filledphotoniccrystalfiber.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2005,17(4):819-821.(a)原理圖(b)圖4光子晶體光纖還可應纖的信號調解。2005年,YangXiufeng光柵(FBG)傳感器11。在該實驗裝置中,利用PM-1550-01型光子晶體光纖(HiBi-PCF)構成Sagnac濾波器,實現(xiàn)了對光纖光柵壓力信號的解調。并且發(fā)現(xiàn):適當?shù)馗淖僅iBi-PCF的長度可以改變傳感器的量程和靈敏度。2.4光子晶體光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器是將光纖光柵作為敏感元件的一類光纖傳感器,它一般通過外場作用下光