光子晶体光纤在光纤传感中的应用

光子晶体光纤

高　新　技　术

２００８　　ＮＯ．０９

科技创新导报

光子晶体光纤在光纤传感中的应用

陈罗湘１，２

（１．湘潭职业技术学院信息工程系　湖南湘潭　４１１１０２　　２．湖南大学计算机与通信学院　　长沙　４１００８２）

摘　要：近年来，随着人们对光纤传感和光子晶体光纤研究的不断深入，光子晶体光纤在光纤传感中的应用正成为一个新的研究热点。本文介绍了光纤传感和光子晶体光纤的相关内容，重点结合光子晶体光纤的特点介绍了光子晶体光纤在偏振型光纤传感和布拉格光栅传感中的应用。

关键词：光子晶体光纤；光纤传感；　高双折射；布拉格光栅

中图分类号：Ｔ　　　　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０３（ｃ）－００１３－０２

１　引言

光纤传感测量方法是一种利用光纤作为光信号的传输和传感媒质，根据被测物理量的变化对光信号的某一性质进行调制，并检测出来被测物理量变化的测量方法。自从光纤传感器问世以来，由于其相对于普通机械类和电子类传感器相比具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、体积小、传输损耗小、传输容量大、测量范围广等优点。因而广泛地应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域的应力应变及温度测量等。在实际应用上，目前在国外很多桥梁、大坝及输油管道等上以及在国内的重庆，上海，深圳等城市的桥梁及结构上都已开始应用。由于其固有的优势，光纤传感必会在不久的将来取代传统的传感技术。在国外，光纤传感首先被用在军事上，并且技术已经相当成熟，同时在很多工程上也得到了应用；在国内，对光纤传感的发展也日益重视，并为之投入了大量的资金。因此光纤传感技术的应用前景将十分广阔。目前成熟的产品包括：应变计，温度计，应变传感器，温度传感器，分布式光纤传感器等等。随着各种新技术、新材料的出现，新的光纤传感原理、传感技术也不断涌现。其中光子晶体以及光子晶体光纤由于其高双折射、光子带隙等独特的性能表现，给光纤传感技术带来了一场新的革命。

２　光子晶体光纤概述

光子晶体的概念最早由Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ和Ｓ．Ｊｏｈｎ于１９８７年在Ｐｈｙｓｉｃｓ　ＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ上分别提出，其实质是通过介电常数在空间的周期分布构成的介质材料。这些具有周期分布结构的介质对特定频率的光会产生带隙，而光子晶体最根本的特点就是具有光子带隙（ＰＢＧ）。光子晶体光纤ＰＣＦ）可以看成是一种二维光子晶体，即在二维光子晶体纤维轴向制造缺陷，利用其局域光的能力，将光限制在缺陷内传播，从而实现导光。光子晶体光纤自从提出后，引起

图

１

基于偏振模差拍的频谱测量所得到的一种

高双折射光子晶体光纤的拍长

图

２

光纤偏振干涉仪原理图

图３　基于光子晶体光纤的布拉格光栅传感器原理

了人们强烈的关注。事实上，光子晶体光含有周期排列空气孔的光子晶体组成，由纤导光的机制可以分为两种，一种为纤芯于纤芯折射率高于包层有效折射率，这种区域为高折射率材料，例如硅，包层由包

光纤仍然是利用全内反射（ＴＩＲ）原理导光；

　科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ１３

（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｆｉｂｅｒ，简称

光子晶体光纤

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另一种为光子带隙导光的低折了光子晶体脉冲相互作用所产生的非线性现象的能够光纤传感器件的应用。

进行精确的数值模拟。因此，对于光纤偏３．１高折射率偏振型光子晶体光纤传感器

振弹光效应的测量方法，可以很容易地测对传统光纤而言，由于弯曲或其他不得不同波长的双折射（拍长），并与数值计可预料的微小形变，偏振态无法很好的保算结果进行比较。这就能按要求来设计指证。普通的保偏光纤，如熊猫保偏光纤，在定的参数，极大的提高设计效率。同时光线偏振光进入光纤以前，需要鉴别光纤的子晶体光纤是基于堆积法制造的，只需调快慢轴，通过改变光纤结构达到这种目整预制棒的结构参数与叠放就能得到所需的。在光子晶体光纤中，这一点很容易达结构与尺寸的光子晶体光纤，设计自由度到，只需破坏光子晶体光纤截面的圆对称非常大，从而大大降低设计开发成本。性使其成为二维结构即可形成很强的双折３．２　光子晶体光纤布拉格光栅传感器

射（比如，减少一些空气孔或改变空气孔光纤光栅传感器的工作原理是借助于的尺寸，已经报道的方式包括设计椭圆空某种装置将被测参量的变化转化为作用于气孔，设计不对称的空气孔或者不对称的光纤光栅上的应变或温度的变化，从而引排列方式等），可比现在常用的熊猫型保起光纤光栅布拉格波长变化。

偏光纤能够高几个数量级。而且波长越光子晶体光纤因为其出色的双折射性长，双折射效应越强。即使弯曲和形变，也能、对温度的不敏感性、纤芯处的合成布能很好的保证传输光束的偏振态。最近理拉格光栅，而在诸如外科和牙科诊治、核论设计的光子晶体光纤的双折射都可以达污染环境下局部矢量或者多径压力测量应到１０

－３

以上。由图１，基于偏振模差拍的频

用方面有极其广阔的应用前景。由于光纤谱测量所得到的一种光子晶体光纤的拍长传感器可以做到将传输与传感媒质合而为在１５４°ｎｍ处已经接近４ｍｍ。

一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全光子晶体光纤由于其出色的高双折射部成为敏感元件，因此，分布式传感成为性能和结构设计的高度灵活性，给偏振型光纤传感器与生俱来的优点。而光子晶体传感器的设计与应用带来了极大的方便。光纤的出现，更是可以在整个传感电路一种可行的利用光子晶体光纤中固有高双上，从光源到保偏光纤到光纤传感头，都折射构成的光纤偏振干涉仪的设计如图２。可以由光子晶体光纤来构成一个光子晶体它是利用单根高双折射单模光纤中的两正光纤传感网络。图３即为基于光子晶体光交偏振模式在外界因素影响下相移的不同纤的布拉格光栅传感器（网络）原理图。

进行传感。激光束经起偏器和波片后变为在光源部分，可以采用基于光子晶体圆偏振光，对高双折射单模光纤的两个正光纤制作的超连续光谱产生器。超连续光交偏振态均匀激励。由于其相移不同，输出谱（　ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）　产生是指激光脉冲在光的合成偏振态可在左旋圆偏振光、４５°线非线性介质中传输时光谱急剧加宽的一种偏振光、右旋圆偏振光、１３５°线偏振光之物理现象．　Ｒａｎｋａ　等首次报道用能量小于间变化。若输出端只检测４５°线偏振分１ｎＪ　、脉宽１００　ｆ　ｓ　的脉冲，在７５　ｃｍ　长的量，则输出光强度为

可见光区呈现反常色散特性的光子晶体光Ｉ＝１／２＊Ｉ０（１＋Ｖｃｏｓφ）

纤中，产生２　个倍频程（ｏｃｔａｖｅ）　（４００　—１６００式中φ是受外界因素影响而发生的相ｎｍ）　的超连续光谱．　此后，在光子晶体光位变化。

纤中产生超连续光谱便成为一个新的研究实验结果表明：应用高双折射光纤热点，近年来的研究表明，在飞秒激光脉＝３．２ｍｍ）进行温度传感时，其灵冲的相位稳定、光学频率测量、光学相干敏度可以达到２．＼］５ｒａｄ／（℃＊ｍ）。

层析（ＯＣＴ）　等方面已经带来重要突破。对将来发展的方向将是直接用光纤中的于光纤传感器，超连续光谱不仅能提供定双折射现象进行压力传感，比如说在土木位传感头所需的光能，而且能利用光谱直工程监测中用来测量轴向压力。其基本原接做光（纤）层析成像分析。这在非入侵理都是利用光纤形状的改变（形变使光栅外科诊治和处理牙科手术中的环氧材料有常数变化）和弹光效应（随机械应力变化重大的意义。高双折射光子晶体光纤的布而纤芯的长度发生变化，从而导致光纤的拉格光栅可以作为传感头，它能返回两个折射率发生变化）。此外，由于平面波法、截然不同和区分良好的表征光偏振状态反正交函数展开法、全矢量有效折射率方射信号。相对常规的双折射光纤而言，这法、时域有限差分法、有限元法等数值计两个反射峰值的波长间隔更大，所以能轻算和模拟方法的应用，使得对光子晶体光易的区分。反射波长的改变，不仅取决于纤的色散特性、光子带隙以及与超短激光

应力的大小，而且与应力的方向、温度也

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有关系。最后，传感头的灵敏度还可以通过改变光子晶体光纤的几何形状来调整。

最新国外研究的几个重点应用包括：非入侵诊治，显微手术、牙科环氧树脂黏合剂、核环境下的远程监测等。３．３　作为特殊条件下的传导媒质

光子带隙光纤（ＰＢＧ）在光纤的传统应用领域，比如传导、通信方面也有新的应用。比如在核应用场合作为普通光纤传感器件的传导媒质。事实上，由于ＰＢＧ光纤中信号的传播不是通过材料本身，而是中间的“带隙”，因此材料被核辐射感应而生的暗化现象将有所减轻，核辐射对光子晶体光纤的影响将远比普通光纤小。此外，还可以通过对ＰＢＧ光纤的几何形状或者材料的设计，将传感系统中分光镜对应的波长加以引导、传播，同时可以屏蔽掉其他杂质光波的影响（比如辐射感应发光等）。

４　展望

随着光电子技术近年来突飞猛进的发展，光纤传感技术经过２０余年的发展也已获得长足的进步。光子晶体光纤的出现打破了传统光纤光学的束缚，正以极快的速度影响传感领域，给传感原理研究、传感材料研究以及传感应用研究领域都带来了新的潜力。同时，在传感领域研究的突破和进展也将进一步推动光子晶体光纤本身的研究和发展。从光子晶体光纤在双折射、超连续光谱等方面所具有的特性及其广阔的应用范围来看，光子晶体光纤必将在光纤传感领域发挥越来越瞩目的作用。

参考文献

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