光子晶體光纖及在傳感方面的應(yīng)用_圖文

1、光子晶體光纖及在傳感方面的應(yīng)用摘要本文主要介紹了光子晶光纖的導(dǎo)光原理,特殊性能及制備方法,并著重介紹了基于光子晶體光纖的幾種新型傳感器,像光纖陀螺應(yīng)力傳感,雙芯光子晶體溫度傳感等。關(guān)鍵字光子晶體光纖非線性雙折射效應(yīng)光子晶體光纖(PCF,photonic crystal fiber的概念最早由ST. J. Russell 等人于1992 年提出。這一光纖在石英光纖中沿軸向均勻排列著空氣孔,從光纖的端面看,存在周期性排列的二維結(jié)構(gòu),如果其中1 個孔遭到破壞或缺失,就會出現(xiàn)缺陷,光能夠在缺陷內(nèi)傳輸,與普通單模光纖不同,光子晶體光纖是由其中周期性排列空氣孔的單一石英材料構(gòu)成,所以又被稱為多孔光纖(ho

2、ley fiber或是微結(jié)構(gòu)光纖(micro- structuredfiber。世界上的第一根光子晶體光纖于1996 年由英國Bath大學(xué)的J. C. Knight 等人制作。1 晶體光纖的導(dǎo)光原理1光子晶體光纖具有周期性的排列結(jié)構(gòu),它同傳統(tǒng)的光纖在傳輸機(jī)理上有很大的不同,根據(jù)光子晶體光纖的分類,確定了兩類基本的傳輸模型。1.1 全反射型(TIR光子晶體光纖全反射型光子晶體光纖纖芯的折射率高于包層的平均折射率,因此由傳統(tǒng)的光學(xué)理論可以認(rèn)為光束被束縛在光纖中傳輸。通過改變石英同空氣孔的比例關(guān)系可以調(diào)節(jié)光纖折射率差的大小,當(dāng)空氣孔足夠小的時候,任意波長的光均能在光纖中傳輸而不被截止,成為“無盡單模

3、”的傳輸特性。這種光纖的傳輸原理同普通光纖相似,通常利用分析普通光纖的類似方法進(jìn)行分析和研究工作。圖1 為全反射型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)圖。 圖11.2 光子帶隙型(PBG光子晶體光纖光子帶隙存在于光子晶體中,光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)材料周期性排列而成的,當(dāng)它的排列周期大小同光的波長差別不大時,周期性的結(jié)構(gòu)會使光子晶體具有類似電子晶體一樣的能帶結(jié)構(gòu),使某些波長的光不能通過光子晶體傳輸,如果引入一個缺陷破壞它的周期性質(zhì),則這個波長的光就可以在這個缺陷中傳輸。光子帶隙型光子晶體光纖就是這種類型的光子晶體。圖2 為光子帶隙型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)圖。 圖22 光子晶體光纖的制備制備光子晶體光纖的方法主要

4、有: 堆積法、擠壓法、酸腐蝕法、填充法、溶模法、疊片法、發(fā)泡法等。下面就常用的堆積法和擠壓法進(jìn)行簡單的介紹2,3。2.1 堆積法堆積法是現(xiàn)階段制備光子晶體光纖, 尤其是以石英為基質(zhì)制備光子晶體光纖最主要的方法, 其制備過程如下:1 將中間帶有空氣孔的石英棒拉制成所需尺寸的毛細(xì)管, 把毛細(xì)管按合適長度截?cái)嗪? 緊密地堆積在套管( 即中心有空芯的石英棒中。2 在呈三角結(jié)構(gòu)排列的毛細(xì)管中引入缺陷, 作為光子晶體光纖的纖芯。如果要制備實(shí)芯光纖, 就用一根或幾根與毛細(xì)管同樣徑向尺寸的石英棒替換套管中部的毛細(xì)管, 如制備空芯光纖, 則抽出套管中部的某些毛細(xì)管即可。3 將預(yù)制棒放到拉絲機(jī)上拉絲。堆積法的優(yōu)點(diǎn)

5、: 預(yù)制棒的制作過程簡單, 傳統(tǒng)光纖的拉制設(shè)備就可滿足光子晶體光纖的制備( 圖3 , 基本不需要其他特殊設(shè)備。缺點(diǎn): 預(yù)制棒的制作所需時間長, 無法滿足大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn); 無法制備特殊結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖,比如包層孔為矩形分布的光子晶體光纖。 圖3 光子晶體光纖預(yù)制棒制作示意圖3.2 擠壓法擠壓法名稱的由來與堆積法相似, 也是根據(jù)預(yù)制棒的制作方法命名的。首先, 按照所需光纖結(jié)構(gòu)制作相應(yīng)的模具, 然后將要制作光纖的基質(zhì)材料加熱到熔融狀態(tài), 灌入模具中, 待冷卻定型后, 使模具與預(yù)制棒分離, 最后將預(yù)制棒放到拉絲機(jī)中進(jìn)行拉絲。擠壓法的優(yōu)點(diǎn): 模具制成后,可反復(fù)利用, 提高了預(yù)制棒的制作效率, 適

6、合于大規(guī)模的生產(chǎn)。缺點(diǎn): 只適合于軟化溫度較低的材料, 如復(fù)合玻璃SF6, SF57 等; 結(jié)構(gòu)不同的光纖需要不同的模具。3 光子晶體光纖的特性光子晶體光纖的特性決定了它成為光纖通訊領(lǐng)域研究的重點(diǎn),從1992 年提出光子晶體光纖概念到現(xiàn)在,光子晶體光纖的研制和研究工作取得了很大的進(jìn)展。光子晶體光纖的主要特性分為以下幾個方面3:3.1 無截止單模在光通信中所使用的單模光纖都遵循基本光波導(dǎo)理論,即可以用麥克斯維方程求解,一般情況下光纖的基本傳輸機(jī)理滿足下列公式: 其中Vc 定義為歸一化截止頻率,d 為纖芯直徑, c 為截止波長,n1 和n2 分別為纖芯和包層的折射率。在Vc 值小于2.405時,光

7、纖能夠?qū)崿F(xiàn)單模傳輸,同時工作波長大于截止波長。光纖中必然存在一個能夠使光纖為單模傳輸?shù)淖钚〔ㄩL,但是光子晶體光纖就可以不存在這樣最小波長,使光纖在較寬的波長區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)單模傳輸,因此具有無截止單模的特性。更重要的一點(diǎn)是,光子晶體光纖的無截止單模特性與光纖結(jié)構(gòu)的絕對尺寸無關(guān)。即當(dāng)放大結(jié)構(gòu)尺寸時,光子晶體光纖仍可保持單模傳輸,這就提供了一條實(shí)現(xiàn)大模式面積光纖的途徑。3.2 色散特性色散是光纖的一個重要參數(shù),它決定著波導(dǎo)是否可以應(yīng)用到某個領(lǐng)域,如孤子傳輸、超短脈沖的產(chǎn)生、超連續(xù)光譜的產(chǎn)生和諧波的獲得等,對光通訊以及應(yīng)用光子晶體光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償和設(shè)計(jì)光纖激光器等都起著決定作用。Bath 大學(xué)Birks

8、等人的分析表明,設(shè)計(jì)合理的光子晶體光纖可以獲得100 nm 帶寬、超過- 2 000 ps/nmkm 的色散值,并可以補(bǔ)償是其自身長度35 倍的標(biāo)準(zhǔn)光纖引起的色散。3.3 高非線性4光纖的非線性系數(shù)定義為:g=2pn2 /(lAeff其中, n2 是材料的非線性折射率系數(shù), Aeff 為光纖有效模場面積。在光子晶體光纖中, 減小包層空氣孔間距和提高包層空氣填充率, 可以有效地減小芯區(qū)面積, 增大纖芯和包層折射率差, 極大地減小有效模場面積。但是, 當(dāng)光子晶體光纖芯徑過小時, 將會有很大一部分光能量泄漏到包層中, 不僅增大模場面積, 也增加了光纖的損耗。由圖6 可以看到, 在相同的包層空氣填充率

9、的情況下, 當(dāng)?shù)刃Юw芯直徑2L- d 小于工作波長時, 光纖限制損耗隨著纖芯的減小而迅速增大。并且由圖6 的插圖可知, 模場面積并非隨著纖芯半徑的減小而單調(diào)遞減, 而是存在著一個最小點(diǎn)。由于在最小模面積處,光纖存在著較大的限制損耗, 在實(shí)際的應(yīng)用中, 應(yīng)綜合考慮模場面積和限制損耗。 圖3光子晶體光纖的非線性特性3.4 雙折射效應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)的光纖中,纖芯與包層界面之間的不完整性所引入的隨機(jī)雙折射可導(dǎo)致光隨機(jī)偏振,可采用不對稱芯光纖作為保偏光纖。通過將大而不均勻的雙折射引入到光纖中,可以克服PMD 中出現(xiàn)的隨機(jī)雙折射問題。與普通保偏光纖相似,通過改變光子晶體光纖的包層結(jié)構(gòu)參數(shù)可以制作出具有高雙折射效應(yīng)

10、的光子晶體光纖,這是傳統(tǒng)保偏光纖所不及的。只要破壞光子晶體光纖截面的圓對稱性使其成為二維結(jié)構(gòu)即可,例如,通過減少一些空氣孔或者改變一些空氣孔的尺寸都可獲得高的雙折射特性。理論分析表明,可以設(shè)計(jì)出雙折射度達(dá)到110- 3 cm/m 的光子晶體光纖。例如已研制出一種保偏PCF,其雙折射達(dá)到1.410- 3 cm/m,約為目前熊貓型保偏光纖的3倍,這種光纖可以取代目前的保偏光纖。圖4 為保偏光子晶體光纖的樣品。 圖4,具有保偏特性的光子晶體光纖4光子晶體光纖在傳感方面的應(yīng)用59PCF的各種優(yōu)良特性決定其在各方面都有廣泛應(yīng)用,在傳感器方面的應(yīng)用尤為引人矚目。下面介紹幾種新型PCF傳感器。4.1基于光子

11、晶體光纖的Sagnac 應(yīng)力傳感器光纖Saganc 干涉儀由于其優(yōu)越的性能和靈活的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。通常, 用于傳感的光纖Sagnac干涉儀中使用的是傳統(tǒng)的保偏光纖( PMF 或者高雙折射光纖( HBF 。而這些光纖摻雜纖芯和純二氧化硅包層具有不同的溫度系數(shù), 光纖的雙折射性能容易受到溫度影響,進(jìn)而影響靈敏度。因此光子晶體光纖被應(yīng)用到Saganc 干涉儀中, 其纖芯和空氣孔包層都由純二氧化硅組成, 具有超低的溫度系數(shù)。大多數(shù)的應(yīng)力傳感器, 大都集中在光纖長度方向上的應(yīng)力傳感, 而橫向的應(yīng)力也值得關(guān)注, 它在建筑物的健康檢測中就有著重要的應(yīng)用。在此介紹一種基于實(shí)心光子晶體光纖Sag nac 干

12、涉儀的橫向應(yīng)力傳感器。傳感器Sagnac 環(huán)中的雙折射是由預(yù)先施加在光子晶體光纖上的橫向壓力引起的, 因此不需要精確切割光纖長度就可以實(shí)現(xiàn)傳感器輸出光譜周期和峰值波長的調(diào)諧, 更方便測量5。 圖5光子晶體光纖Sagnac 干涉儀的橫向應(yīng)力傳感器原理圖實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示, 寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB 耦合器分成兩束強(qiáng)度相等的光, 這兩束光在Sagnac 環(huán)中沿相反的方向傳輸, 并在3 dB 耦合器處相遇發(fā)生干涉。如果Sagnac 環(huán)中沒有雙折射, 對于一個理想的3 dB 耦合器, 所有波長的光都將被反射回Sagnac 干涉儀的輸入端口, 沒有光到達(dá)連接著光譜儀的輸出端口, 如果Sagnac 環(huán)

13、中存在雙折射, Sagnac 干涉儀的輸出變成一個與波長有關(guān)的正弦型干涉光譜, 如圖 2 所示。由于光纖材料存在彈光效應(yīng), 光子晶體光纖就會產(chǎn)生初始的雙折射。隨后, 當(dāng)物體放到光纖上( 圖5 , 由于物體重力的作用, 光纖也因?yàn)閺椆庑Фa(chǎn)生額外的雙折射, 進(jìn)而會使干涉光譜移動。測量光譜移動( 光譜的峰值波長移動 , 就可以實(shí)現(xiàn)橫向壓力傳感。4.2雙芯光子晶體光纖溫度傳感器對雙芯光子晶體光纖的特性研究發(fā)現(xiàn),利用纖芯間高折射率柱的諧振效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對溫度的精確傳感。在纖芯間空氣孔中注入液晶材料, 利用液晶材料折射率的溫度變化特性, 使溫度變化對雙芯間的耦合特性產(chǎn)生影響, 從而實(shí)現(xiàn)對溫度的精確傳感6。4

14、.3 雙模光子晶體光纖傳感器8高雙折射雙模光子晶體光纖支持四個穩(wěn)定模態(tài),即LP01 模的兩個偏振態(tài)和LP11 的兩個偏振態(tài),這四個模態(tài)在同一光纖中沿著不同的路徑傳輸,如果我們使同一偏振方向的不同模式或者同一模式的不同偏振態(tài)進(jìn)行干涉,即模式干涉或者偏振干涉。由于模式或偏振態(tài)之間的相位差受環(huán)境溫度、應(yīng)變及其他因素的影響,因此這種雙模光子晶體光纖可以用來測量溫度、應(yīng)變或同時測量多個物理量。工作原理(如圖6是基于光纖中LP01 模和LP11 之間的干涉。從半導(dǎo)體激光器輸出的激光被首先準(zhǔn)直,然后通過起偏器,在通過透鏡聚焦后耦合到光子晶體光纖。一個近紅外CCD 攝象頭位于光纖的出射端面用于檢測輸出的遠(yuǎn)場光

15、強(qiáng)分布。光子晶體光纖一端被固定,另一端則固定在數(shù)控微動臺上用于在光纖上施加軸向應(yīng)變。在測試前,調(diào)整入射條件,使入射光的聚焦點(diǎn)對準(zhǔn)光纖的軸心,保證得到較好的干涉信號。由于模式的干涉,在光纖遠(yuǎn)場會觀測到出射強(qiáng)度分布隨著兩個模式之間的相位差的變化而變化。 圖6 雙模光子晶體光纖干涉儀應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)裝置3.43 長周期光柵結(jié)構(gòu)的PCFs 傳感器7長周期光柵(LPG,又稱透射光柵,是周期較長(一般為幾百微米的衍射光柵,也可以被寫入PCFs,滿足光柵諧振條件的光子會被劇烈地耦合到包層模與纖芯模發(fā)生干涉。PCFs 周圍環(huán)境的變化如應(yīng)力、彎曲、包層滲入液體和氣體等都會影響LPG 的諧振波長,通過探測諧振波長的位

16、置獲得各種物理量的光學(xué)傳感。LPG 是一種透射型光纖光柵,無后向反射,不存在反射光對測量系統(tǒng)的干擾,并且制作工藝也較為簡單。通常采用紫外光寫入法,還可以電弧放電寫入和CO2 激光寫入,后兩者都是通過熱效應(yīng)改變PCFs 的局部折射率,形成光纖軸向的折射率周期分布。LPG 諧振波對溫度變化不敏感(9 pm/,但對應(yīng)力和彎曲都很敏感,可以對它們進(jìn)行傳感。除此之外,還可以在寫有LPG的PCFs 包層中滲入聚合物,溫度調(diào)節(jié)包層模的諧振頻率,實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波。LPG 可以有效地把芯模耦合到包層模,并具有極強(qiáng)的波長選擇性,成為構(gòu)造光纖干涉儀常用的功能單元。4.傳感中需要考慮的問題84.1 耦合損耗:由于存在微結(jié)

17、構(gòu),光子晶體光纖中模場分布可能非常復(fù)雜,但其模場分布仍然可以近似為高斯型分布,這樣就可以用模場半徑來估算光子晶體光纖和單模光纖的耦合損耗,因此耦合損耗依然是不可忽略的問題。4.2 熔接問題限制光子晶體光纖器件發(fā)展的一個重要因素是:利用傳統(tǒng)技術(shù)很難甚至在很多情況下不可能將它們與普通光纖熔接起來。在已進(jìn)行的大多數(shù)光子晶體光纖實(shí)驗(yàn)中,都是采用體光學(xué)器件(如普通透鏡實(shí)現(xiàn)光路耦合的。熔接耦合與采用透鏡耦合相比,前者具有更低的回波損耗,而且準(zhǔn)直過程可以自動完成;而后者的光學(xué)表面暴露在外,容易受到污染或破壞。建議改用自聚焦透鏡做熔接接頭,可減少損耗?？偨Y(jié)光子晶體光纖的奇異特性是一些傳統(tǒng)光纖所沒有的。其未來的

18、發(fā)展趨勢有以下幾個方面9:(1高附加值、高技術(shù)含量的特種光纖(2光纖通信器件:可調(diào)色散補(bǔ)償器、動態(tài)PMD補(bǔ)償器、高功率放大器、光參量放大器OPA、慢光及全光緩存器、波長變換器件等;(3能量光纖器件:全光纖化激光器、單頻、窄線寬等大功率有源光纖器件與無源光纖器件等;(4醫(yī)療光纖器件:微創(chuàng)手術(shù)器件、內(nèi)窺醫(yī)療器件等;(5傳感光纖器件:各種特殊環(huán)境應(yīng)用的器件,如壓力、溫度、位移等參量的傳感與探測器件,光纖陀螺等。物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn),更加大了特種光纖及各種新型光電子器件的需求,光子晶體光纖作為一個新興的產(chǎn)品,將面臨較大的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn),這也為我國民族光纖產(chǎn)業(yè)提供了橫向發(fā)展與縱向延伸的歷史舞臺。1池灝,曾慶濟(jì),姜淳光子晶體光纖的原理應(yīng)用和研究進(jìn)展光電子激光J2002年5月2楊鵬光子晶體光纖的制備和應(yīng)用碩士學(xué)位論文 2008年8月3王偉,侯藍(lán)田光子晶體光纖的現(xiàn)狀和發(fā)展激光與光電子學(xué)進(jìn)展J 20