一种电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器

摘要

本发明提出一种电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器。其光子晶体光纤采用折射率高于传统二氧化硅的FK51A材料为基底。光子晶体光纤纤芯空气孔填充对温度和电场敏感的液晶材料。通过在梳状电极上施加电压来周期性改变液芯折射率，从而调制出长周期光纤光栅效果。其谐振波长可以通过改变梳状电极间距(光栅周期)来确定。当外界温度改变时，液晶的折射率发生变化，因此可以通过监测谐振波长的变化来实现对温度的测量。本发明提出的电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器具有成本低、结构灵活、波长及带宽可调谐的优点。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅器件，该器件可以用作高灵敏度温度传感器。

背景技术

长周期光纤光栅传感器具有灵敏度高、结构小巧、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，长期以来一直是光纤传感领域的研究热点。当前，长周期光纤光栅传感器已被广泛用于折射率、温度、应变、弯曲等物理参量的测量，但是传统长周期光纤光栅已不能满足高灵敏度测量要求，因此需要不断探索高性能指标的新型传感器。

光子晶体光纤是一种具有多层空气孔包层的特种光纤，其灵活的结构可以根据各种测量需求进行设计，并可以通过填充功能材料来改变其传输特性。因此，基于光子晶体光纤刻写的长周期光纤光栅应运而生，并逐渐引起了科研工作者的关注。

目前刻写长周期光纤光栅的方法主要有紫外曝光法、二氧化碳激光、飞秒激光及电弧放电等热辅助法。紫外曝光法只能刻写纤芯掺锗的光纤，限制了其在纯二氧化硅材料基底的光子晶体光纤上的应用。热辅助法是对光纤进行周期性点式加热，加热区发生结构形变并释放残余应力从而改变其材料折射率，具有不可逆性。

发明内容

本发明的目的是克服传统方法制备长周期光纤光栅不可逆的缺点，采用梳状电极来周期性调制光子晶体光纤纤芯液晶的折射率，通过改变梳状电极间距来确定该长周期光纤光栅器件的谐振波长。此温度传感器具有成本低、结构灵活、波长及带宽可调谐的优点。

具体技术方案为：

一种电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器，主体为具有三角形周期排列空气孔的光子晶体光纤，基底材料折射率为1.46～1.48，纤芯空气孔直径为1～2μm，包层空气孔直径d为1～2μm，包层空气孔的孔间距Λ为2.5～5μm，占空比d/Λ小于0.45来保证光子晶体光纤具有无截止单模特性；纤芯空气孔内填充对温度敏感的向列相液晶；光子晶体光纤的外表面设置梳状电极，通过梳状电极施加电压对液晶填充的光子晶体光纤纤芯进行周期性折射率调制，形成电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器。

进一步地，上述纤芯空气孔内填充的向列相液晶为折射率n₁为1.51～1.71的E7液晶。

进一步地，上述梳状电极的电极间距(即光栅周期)P为550～650μm，光栅周期个数N为40～60；折射率调制深度Δn为2×10^-4～2.5×10^-5。

进一步地，上述包层和纤芯空气孔直径相等皆为1.05μm，孔间距为4.61μm，光纤直径为125μm，基底材料折射率为1.4759(入射波长1550nm)，梳状电极的电极间距(光栅周期)P为613.8μm，光栅周期个数N为51；折射率调制深度Δn为2×10^-5。该光子晶体光纤采用折射率高于传统二氧化硅的FK51A材料为基底，不仅有利于增强模式之间的耦合，还提高了纤芯填充液体的折射率灵敏度。

本发明光子晶体光纤上采用梳状电极调制出长周期光纤光栅，实现在宽带波长范围内的纤芯和包层模式转换。通过在光子晶体光纤的纤芯内填充折射率可调的光学功能材料液晶，实现通过环境温度来调控所填充液体折射率，进而改变长周期光纤光栅的谐振波长。此结构提供了一种具有高灵敏度的温度传感器。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的一种纤芯具有空气孔的光子晶体光纤，该光子晶体光纤的背景材料采用FK51A，其折射率高于传统二氧化硅，从而增强了纤芯模式和包层模式之间的耦合，并提高了纤芯填充液体的折射率灵敏度。

(2)本发明提出的电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅，采用梳状电极来周期性调制光子晶体光纤纤芯液晶的折射率，通过改变梳状电极间距来确定该长周期光纤光栅器件的谐振波长，解决传统工艺制备的长周期光纤光栅波长不可调，结构不可逆的问题；

(3)本发明提出的一种电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器，其光子晶体光纤纤芯空气孔结构中填充折射率对温度敏感的光学功能材料液晶，其周围环境温度可以引起谐振波长位置的变化，从而使该传感器具有较高的温度灵敏度和可调谐性。

附图说明

图1为光子晶体光纤结构横截面示意图；

其中，1光子晶体光纤基底材料FK51A；2光子晶体光纤包层空气孔；3光子晶体光纤纤芯空气孔；d包层空气孔直径；Λ包层空气孔孔间距；D光纤直径；

图2为电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅结构示意图；

其中，4光子晶体光纤纤芯空气孔中填充的液晶E7；5熔接的单模光纤；6光子晶体光纤；7梳状电极阵列；P梳状电极间距(光栅周期)；

图3为不同基底材料的光子晶体光纤光栅谐振波长随纤芯填充液体折射率变化关系；

图4为光子晶体光纤(基底为FK51A)的纤芯模式和包层模式电场分布及其功率随光栅长度的转换关系；

其中，(a)光子晶体光纤的纤芯模式LP01电场强度分布；(b)光子晶体光纤的纤芯模式LP02电场强度分布；(c)纤芯模式LP01和包层模式LP02模式功率转换与光栅长度的关系图；

图5为不同温度下电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅透射光谱图；

其中，(a)15℃～27℃温度变化范围的透射光谱图；(b)30℃～58℃温度变化范围的透射光谱图；

图6电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅谐振波长随温度的变化关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及性能优化过程作进一步的详细说明。

实施例1

一种电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅温度传感器，通过堆积拉制法制得光子晶体光纤。该光子晶体光纤基底材料FK51A具有较高的折射率。光子晶体光纤的端面如图1所示，包层和纤芯空气孔直径d为1.05μm，孔间距Λ为4.61μm，光纤直径D为125μm，基底材料折射率n₁为1.4759(1550nm波长处)；纤芯内填充液晶折射率范围为1.51～1.71。此参数使得光子晶体光纤具有无截止单模特性，从而避免其他高阶模式的干扰。

通过梳状电极施加电压对液晶填充的光子晶体光纤纤芯进行周期性折射率调制，制成电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅，其结构如图2所示。P为梳状电极间距(光栅周期)613.8μm；纤芯液晶折射率被梳状电极调制的部分，其折射率为n₂+Δn，折射率调制深度Δn为2×10^-5；未调制液晶的折射率保持不变为n₂。

在光子晶体光纤纤芯空气孔中填充折射率范围为1.50259～1.51593的液体，并探究了基于不同背景材料光子晶体光纤的长周期光栅的谐振波长对折射率变化的响应。通过线性拟合计算可知，见图3，基底材料为FK51A的光子晶体光纤光栅对纤芯填充液体折射率变化的灵敏度远高于传统以二氧化硅材料为基底的光子晶体光纤。

将折射率n₂为1.51～1.71的光学功能材料E7液晶填充在基底材料为FK51A的光子晶体光纤的纤芯空气孔内，根据偶合模理论分别求得参与模式耦合的纤芯模式LP01和包层模式LP02，其电场强度分布如图4所示。根据如图4所示的模式功率转换与光栅长度的关系，可以得到优化后的长周期光纤光栅长度为3.11cm,即光栅个数N为51。

通过改变周围环境温度实现对光子晶体光纤纤芯空气孔中填充液晶折射率的调制，从而进一步改变长周期光子晶体光纤光栅的谐振波长。如图5所示，通过对谐振波长的监测实现长周期光子晶体光纤光栅传感器对环境温度的测量。电控调谐型长周期光子晶体光纤光栅谐振波长随温度的变化关系如图6所示。在15℃～27℃温度变化范围内，谐振波长随着温度的增加向短波长方向移动，而在30℃～58℃温度变化范围，谐振波长随着温度的增加向长波长方向移动，在58℃附近，温度灵敏度可以达到481.9nm/℃。