光子晶体光纤及在传感方面的应用

光子晶体光纤及在传感方面的应用

摘要 本文主要介绍了光子晶光纤的导光原理，特殊性能及制备方法，并着重介绍了基于光子晶体光纤的几种新型传感器，像光纤陀螺应力传感，双芯光子晶体温度传感等。

关键字 光子晶体光纤 非线性 双折射效应

光子晶体光纤（PCF，photonic crystal fiber）的概念最早由ST. J. Russell 等人于1992 年提出。这一光纤在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤的端面看，存在周期性排列的二维结构，如果其中1 个孔遭到破坏或缺失，就会出现缺陷，光能够在缺陷内传输，与普通单模光纤不同，光子晶体光纤是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤（holey fiber） 或是微结构光纤（micro- structuredfiber）。世界上的第一根光子晶体光纤于1996 年由英国Bath大学的J. C. Knight 等人制作。

1 晶体光纤的导光原理［1］

光子晶体光纤具有周期性的排列结构，它同传统的光纤在传输机理上有很大的不同，根据光子晶体光纤的分类，确定了两类基本的传输模型。

1.1 全反射型（TIR）光子晶体光纤

全反射型光子晶体光纤纤芯的折射率高于包层的平均折射率，因此由传统的光学理论可以认为光束被束缚在光纤中传输。通过改变石英同空气孔的比例关系可以调节光纤折射率差的大小，当空气孔足够小的时候，任意波长的光均能在光纤中传输而不被截止，成为“无尽单模”的传输特性。这种光纤的传输原理同普通光纤相似，通常利用分析普通光纤的类似方法进行分析和研究工作。图1 为全反射型光子晶体光纤的结构图。

图1

1.2 光子带隙型（PBG）光子晶体光纤

光子带隙存在于光子晶体中，光子晶体是由不同折射率的介质材料周期性排

列而成的，当它的排列周期大小同光的波长差别不大时，周期性的结构会使光子晶体具有类似电子晶体一样的能带结构，使某些波长的光不能通过光子晶体传输，如果引入一个缺陷破坏它的周期性质，则这个波长的光就可以在这个缺陷中传输。光子带隙型光子晶体光纤就是这种类型的光子晶体。图2 为光子带隙型光子晶体光纤的结构图。

图2

2 光子晶体光纤的制备

制备光子晶体光纤的方法主要有: 堆积法、挤压法、酸腐蚀法、填充法、溶模法、叠片法、发泡法等。下面就常用的堆积法和挤压法进行简单的介绍［2，3］。

2.1 堆积法

堆积法是现阶段制备光子晶体光纤, 尤其是以石英为基质制备

光子晶体光纤最主要的方法, 其制备过程如下:

1) 将中间带有空气孔的石英棒拉制成所需尺寸的毛细管, 把毛细管按合适长度截断后, 紧密地堆积在套管( 即中心有空芯的石英棒)中。

2) 在呈三角结构排列的毛细管中引入缺陷, 作为光子晶体光纤的纤芯。如果要制备实芯光纤, 就用一根或几根与毛细管同样径向尺寸的石英棒替换套管中部的毛细管, 如制备空芯光纤, 则抽出套管中部的某些毛细管即可。

3) 将预制棒放到拉丝机上拉丝。

堆积法的优点: 预制棒的制作过程简单, 传统光纤的拉制设备就可满足光子晶体光纤的制备( 图3) , 基本不需要其他特殊设备。缺点: 预制棒的制作所需时间长, 无法满足大规模、标准化的生产; 无法制备特殊结构的光子晶体光纤,比如包层孔为矩形分布的光子晶体光纤。

图3 光子晶体光纤预制棒制作示意图

3.2 挤压法

挤压法名称的由来与堆积法相似, 也是根据预制棒的制作方法命名的。首先, 按照所需光纤结构制作相应的模具, 然后将要制作光纤的基质材料加热到熔融状态, 灌入模具中, 待冷却定型后, 使模具与预制棒分离, 最后将预制棒放到拉丝机中进行拉丝。

挤压法的优点: 模具制成后,可反复利用, 提高了预制棒的制作效率, 适合于大规模的生产。缺点: 只适合于软化温度较低的材料, 如复合玻璃SF6, SF57 等; 结构不同的光纤需要不同的模具。

3 光子晶体光纤的特性

光子晶体光纤的特性决定了它成为光纤通讯领域研究的重点，从1992 年提出光子晶体光纤概念到现在，光子晶体光纤的研制和研究工作取得了很大的进展。光子晶体光纤的主要特性分为以下几个方面［3］：

3.1 无截止单模

在光通信中所使用的单模光纤都遵循基本光波导理论，即可以用麦克斯维方程求解，一般情况下光纤的基本传输机理满足下列公式：

其中Vc 定义为归一化截止频率，d 为纤芯直径，λc 为截止波长，n1 和n2 分别为纤芯和包层的折射率。在Vc 值小于2.405时，光纤能够实现单模传输，同时工作波长大于截止波长。光纤中必然存在一个能够使光纤为单模传输的最小波长，但是光子晶体光纤就可以不存在这样最小波长，使光纤在较宽的波长区域内实现单模传输，因此具有无截止单模的特性。更重要的一点是，光子晶体光纤的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关。即当放大结构尺寸时，光子晶体光纤仍可保持单模传输，这就提供了一条实现大模式面积光纤的途径。

3.2 色散特性

色散是光纤的一个重要参数，它决定着波导是否可以应用到某个领域，如孤子传输、超短脉冲的产生、超连续光谱的产生和谐波的获得等，对光通讯以及应用光子晶体光纤进行色散补偿和设计光纤激光器等都起着决定作用。Bath 大学Birks 等人的分析表明，设计合理的光子晶体光纤可以获得100 nm 带宽、超过- 2 000 ps/nm·km 的色散值，并可以补偿是其自身长度35 倍的标准光纤引起的色散。

3.3 高非线性［4］

光纤的非线性系数定义为：g=2pn2 /(lAeff)

其中, n2 是材料的非线性折射率系数, Aeff 为光纤有效模场面积。在光子晶体光纤中, 减小包层空气孔间距和提高包层空气填充率, 可以有效地减小芯区面积, 增大纤芯和包层折射率差, 极大地减小有效模场面积。但是, 当光子晶体光纤芯径过小时, 将会有很大一部分光能量泄漏到包层中, 不仅增大模场面积, 也增加了光纤的损耗。由图6 可以看到, 在相同的包层空气填充率的情况下, 当等效纤芯直径2L- d 小于工作波长时, 光纤限制损耗随着纤芯的减小而迅速增大。并且由图6 的插图可知, 模场面积并非随着纤芯半径的减小而单调递减, 而是存在着一个最小点。由于在最小模面积处,光纤存在着较大的限制损耗, 在实际的应用中, 应综合考虑模场面积和限制损耗。

图3光子晶体光纤的非线性特性

3.4 双折射效应

在标准的光纤中，纤芯与包层界面之间的不完整性所引入的随机双折射可导致光随机偏振，可采用不对称芯光纤作为保偏光纤。通过将大而不均匀的双折射引入到光纤中，可以克服PMD 中出现的随机双折射问题。与普通保偏光纤相似，通过改变光子晶体光纤的包层结构参数可以制作出具有高双折射效应的光子晶体光纤，这是传统保偏光纤所不及的。只要破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其成为二维结构即可，例如，通过减少一些空气孔或者改变一些空气孔的尺寸都可获得高的双折射特性。理论分析表明， 可以设计出双折射度达到1×10- 3 cm/m 的光子晶体光纤。例如已研制出一种保偏PCF，其双折射达到1.4×10- 3 cm/m，约为目前熊猫型保偏光纤的3倍，这种光纤可以取代目前的保偏光纤。图4 为保偏光子晶体光纤的样品。

图4，具有保偏特性的光子晶体光纤

4光子晶体光纤在传感方面的应用［5~9］

PCF的各种优良特性决定其在各方面都有广泛应用，在传感器方面的应用尤为引人瞩目。下面介绍几种新型PCF传感器。

4.1基于光子晶体光纤的Sagnac 应力传感器

光纤Saganc 干涉仪由于其优越的性能和灵活的应用受到了广泛关注。通常, 用于传感的光纤Sagnac干涉仪中使用的是传统的保偏光纤( PMF) 或者高双折射光纤( HBF) 。而这些光纤掺杂纤芯和纯二氧化硅包层具有不同的温度系数, 光纤的双折射性能容易受到温度影响,进而影响灵敏度。因此光子晶体光纤被应用到Saganc 干涉仪中, 其纤芯和空气孔包层都由纯二氧化硅组成, 具有超低的温度系数。大多数的应力传感器, 大都集中在光纤长度方向上的应力传感, 而横向的应力也值得关注, 它在建筑物的健康检测中就有着重要的应用。

在此介绍一种基于实心光子晶体光纤Sag nac 干涉仪的横向应力传感器。传感器Sagnac 环中的双折射是由预先施加在光子晶体光纤上的横向压力引起的, 因此不需要精确切割光纤长度就可以实现传感器输出光谱周期和峰值波长的调谐, 更方便测量［5］。

图5光子晶体光纤Sagnac 干涉仪的横向应力传感器原理图

实验原理图如图5所示, 宽带光源发出的光经3 dB 耦合器分成两束强度相等的光, 这两束光在Sagnac 环中沿相反的方向传输, 并在3 dB 耦合器处相遇发生干涉。如果Sagnac 环中没有双折射, 对于一个理想的3 dB 耦合器, 所有波长的光都将被反射回Sagnac 干涉仪的输入端口, 没有光到达连接着光谱仪的输出端口, 如果Sagnac 环中存在双折射, Sagnac 干涉仪的输出变成一个与波长有关的正弦型干涉光谱, 如图2 所示。由于光纤材料存在弹光效应, 光子晶体光纤就会产生初始的双折射。随后, 当物体放到光纤上( 图5) , 由于物体重力的作用, 光纤也因为弹光效而产生额外的双折射, 进而会使干涉光谱移动。测量光谱移动( 光谱的峰值波长移动) , 就可以实现横向压力传感。

4.2双芯光子晶体光纤温度传感器

对双芯光子晶体光纤的特性研究发现，利用纤芯间高折射率柱的谐振效应可实现对温度的精确传感。在纤芯间空气孔中注入液晶材料, 利用液晶材料折射率的温度变化特性, 使温度变化对双芯间的耦合特性产生影响, 从而实现对温度的精确传感［6］。

4.3 双模光子晶体光纤传感器［8］

高双折射双模光子晶体光纤支持四个稳定模态， 即LP01 模的两个偏振态和LP11 的两个偏振态， 这四个模态在同一光纤中沿着不同的路径传输，如果我们使同一偏振方向的不同模式或者同一模式的不同偏振态进行干涉，即模式干

涉或者偏振干涉。由于模式或偏振态之间的相位差受环境温度、应变及其他因素的影响，因此这种双模光子晶体光纤可以用来测量温度、应变或同时测量多个物理量。

工作原理（如图6）是基于光纤中LP01 模和LP11 之间的干涉。从半导体激光器输出的激光被首先准直，然后通过起偏器，在通过透镜聚焦后耦合到光子晶体光纤。一个近红外CCD 摄象头位于光纤的出射端面用于检测输出的远场光强分布。光子晶体光纤一端被固定，另一端则固定在数控微动台上用于在光纤上施加轴向应变。在测试前，调整入射条件，使入射光的聚焦点对准光纤的轴心，保证得到较好的干涉信号。由于模式的干涉，在光纤远场会观测到出射强度分布随着两个模式之间的相位差的变化而变化。

图6 双模光子晶体光纤干涉仪应变测量实验装置

3.43 长周期光栅结构的PCFs 传感器［7］

长周期光栅（LPG），又称透射光栅，是周期较长（一般为几百微米）的衍射光栅，也可以被写入PCFs，满足光栅谐振条件的光子会被剧烈地耦合到包层模与纤芯模发生干涉。PCFs 周围环境的变化如应力、弯曲、包层渗入液体和气体等都会影响LPG 的谐振波长，通过探测谐振波长的位置获得各种物理量的光学传感。LPG 是一种透射型光纤光栅，无后向反射，不存在反射光对测量系统的干扰，并且制作工艺也较为简单。通常采用紫外光写入法，还可以电弧放电写入和CO2 激光写入，后两者都是通过热效应改变PCFs 的局部折射率，形成光纤轴向的折射率周期分布。LPG 谐振波对温度变化不敏感（9 pm/℃），但对应力和弯曲都很敏感，可以对它们进行传感。除此之外，还可以在写有LPG的PCFs 包层中渗入聚合物，温度调节包层模的谐振频率，实现可调滤波。LPG 可以有效地把芯模耦合到包层模，并具有极强的波长选择性，成为构造光纤干涉仪常用的功能单元。

4．传感中需要考虑的问题［8］

4.1 耦合损耗：

由于存在微结构，光子晶体光纤中模场分布可能非常复杂，但其模场分布仍然可以近似为高斯型分布，这样就可以用模场半径来估算光子晶体光纤和单模光纤的耦合损耗，因此耦合损耗依然是不可忽略的问题。

4.2 熔接问题

限制光子晶体光纤器件发展的一个重要因素是：利用传统技术很难甚至在很多情况下不可能将它们与普通光纤熔接起来。在已进行的大多数光子晶体光纤实验中，都是采用体光学器件（如普通透镜）实现光路耦合的。熔接耦合与采用透镜耦合相比，前者具有更低的回波损耗，而且准直过程可以自动完成；而后者的光学表面暴露在外，容易受到污染或破坏。建议改用自聚焦透镜做熔接接头，可减少损耗。

总结

光子晶体光纤的奇异特性是一些传统光纤所没有的。其未来的发展趋势有以下几个方面［9］：

（1）高附加值、高技术含量的特种光纤

（2）光纤通信器件：可调色散补偿器、动态PMD补偿器、高功率放大器、光参量放大器OPA、慢光及全光缓存器、波长变换器件等；

（3）能量光纤器件：全光纤化激光器、单频、窄线宽等大功率有源光纤器件与无源光纤器件等；

（4）医疗光纤器件：微创手术器件、内窥医疗器件等；

（5）传感光纤器件：各种特殊环境应用的器件，如压力、温度、位移等参量的传感与探测器件，光纤陀螺等。

物联网和云计算等新技术的出现，更加大了特种光纤及各种新型光电子器件的需求，光子晶体光纤作为一个新兴的产品，将面临较大的发展机遇与挑战，这也为我国民族光纤产业提供了横向发展与纵向延伸的历史舞台。

［1］池灏，曾庆济，姜淳 光子晶体光纤的原理 ﹑应用和研究进展 光电子﹒激光［J］2002年5月

［2］杨鹏 光子晶体光纤的制备和应用 硕士学位论文 2008年8月

［3］王伟， 侯蓝田 光子晶体光纤的现状和发展 激光与光电子学进展［J］2008年2月

［4］李进延, 彭景刚, 蒋作文, 陈 伟, 李海清, 罗文勇 高非线性光子晶体光纤的研究及应用 光通信研究［J］2008年4月

［5］祖 鹏， 向望华 白扬博 金永兴 超低温度系数的光子晶体光纤Sagnac 压力传感器强 激光与粒子束［J］ 2011 年7 月

［6］汤 劼, 陈鹤鸣 双芯光子晶体光纤温度传感器 光通信研究［J］2011年2月

［7］张光， 刘小峰， 陈庆希， 周秦岭， 陈丹平 基于光子晶体光纤的光学传感 激光与光电子学进展［J］2009年11月

［8］王向宇 光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用 机械与电子［J］2008年第31期

［9］陈伟，李诗愈，王彦亮，王冬香，罗文勇，黄文俊 特种光纤技术及其发展趋势 中国新通信［J］ 2010年9月