光子晶体光纤液压传感技术研究进展_刘华北.pdf

第 40 卷 第 1 期量 子 电 子 学 报Vol.40 No.12023 年 1 月CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSJan.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.01.002光光光子子子晶晶晶体体体光光光纤纤纤液液液压压压传传传感感感技技技术术术研研研究究究进进进展展展刘华北1,周 雁1,邵 杰2,管祖光1,陈达如1(1 浙江师范大学杭州高等研究院,浙江 杭州 311200;2 浙江师范大学信息光学研究所,浙江 金华 321004)摘要:基于光子晶体光纤(PCF)的液压传感技术具有灵敏度高、抗干扰能力强、适应恶劣环境等优点,具有重要的研究意义和广泛的应用前景,因此受到研究人员的特别关注。在简要介绍 PCF 液压传感基本原理的基础上,重点回顾了几种典型的 PCF 液压传感技术,即双折射 PCF 液压传感技术、PCF 光栅液压传感技术、法布里-珀罗(Fabry-P erot)腔 PCF 液压传感技术、双芯 PCF 液压传感技术,分别介绍了这四种液压传感技术的原理与技术方案,并对各自的性能进行了分析、比较和总结。最后简要归纳了 PCF 液压传感技术的研究现状及未来发展趋势。关 键 词:纤维与波导光学;光子晶体光纤;光纤传感;液压传感中 图 分 类 号:TN25文 献 标 识 码:A文章编号:1007-5461(2023)01-00022-10Research progress in photonic crystal fiber hydraulicpressure sensing technologyLIU Huabei1,ZHOU Yang1,SHAO Jie2,GUAN Zuguang1,CHEN Daru1(1 Hangzhou Institute of Advanced Studies,Zhejiang Normal University,Hangzhou 311200,China;2 Institute of Information Optics,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China)Abstract:The hydraulic pressure sensing technology based on photonic crystal fibers(PCFs)has im-portant research significance and broad application prospects due to its advantages of high sensitivity,strong anti-interference ability,and adaptability to harsh environments,so it has received special attentionfrom researchers in recent years.Based on the brief introduction of the basic principles of PCF hydraulicpressure sensing,several typical PCF hydraulic pressure sensing technologies,namely birefringent PCFhydraulic pressure sensing technology,PCF grating hydraulic pressure sensing technology,Fabry-P erotcavity PCF hydraulic pressure sensing technology and dual-core PCF hydraulic pressure sensing technol-ogy,are mainly presented.The principles and technical schemes of these four PCF hydraulic pressure基金项目:浙江省“领雁”研发攻关计划项目(2022C03084,2022C03066),国家自然科学基金(61775197)作者简介:刘华北(1996-),山东菏泽人,研究生,主要从事光学方面的研究。E-mail:导师简介:陈达如(1982-),浙江永嘉人,博士,研究员,主要从事光纤传感器、特种光纤及应用的研究。E-mail:收稿日期:20210329;修改日期:20210527通信作者。第 1 期刘华北等:光子晶体光纤液压传感技术研究进展23sensing technologies are introduced respectively,and their performances are analyzed,compared andsummarized.Finally,the research status and future development trend of PCF hydraulic pressure sensingtechnology are briefly summarized.Key words:fiber and waveguide optics;photonic crystal fiber;optical fiber sensing;hydraulic pressuresensing0引言光纤传感器因具有结构紧凑、灵敏度高、防电磁干扰等优点,受到各行业的广泛关注1。特别是在一些恶劣工作环境中,如高温、高湿度、电磁辐射等,光纤传感器相对于传统的电气类传感器表现出了更加良好的稳定性2。此外光纤传感器还适用于爆炸性或腐蚀性环境中,如地下煤矿,海上油井等3。光纤传感器的出现为这些行业从恶劣的工作环境中获取传感信息提供了新的机会。光纤液压传感器在各工业领域具有重要的应用价值。光纤布拉格光栅(FBG)传感技术是最早发展的较为成熟、可靠的光纤传感技术,通常用于压力、温度等物理量的测量4,5,其低传输损耗和防电磁干扰的特性可以使光纤液压传感器进行远距离测量,然而单模光纤 FBG 的液压传感器的灵敏度仅为 3.04pm/MPa 左右6,不能满足很多实际应用的需求。为进一步提升探测灵敏度,光纤干涉技术被应用到液压传感中,如利用 Fabry-P erot(FP)干涉或 Mach-Zehnder(MZ)干涉与单模光纤相结合构造出高灵敏的液压传感器1。然而由于单模光纤结构简单,限制了液压探测的灵敏度和分辨率。新型特种光纤的出现为得到更高灵敏度提供了新的窗口。光子晶体光纤(PCF)具有特殊的导光机理,其横截面具有高度灵活的设计空间,因此有望获得更高的液压敏感度7。同时 PCF 液压传感器继承了传统的测压办法,如光栅法和干涉法,其中光栅型液压传感器通过光栅反射波长的漂移反映出压力的变化,PCF 具有更高的轴向应变,因此对液压变化更加敏感。已报道的 PCF 光栅液压传感的灵敏度是单模光纤 FBG 液压传感器的十倍8。干涉型 PCF 传感器通常使用高双折射 PCF(HB-PCF),通过改变空气小孔的排列可以实现高双折射光纤。干涉型光纤液压传感器结构简单,通常利用一个 Sagnac 干涉结构就可以得到很高的液压灵敏度。此外在 HB-PCF 中,由于两种偏振模式的存在,光栅会出现两个反射峰。因此,可以使用两个峰值的漂移量来同时测量压力和温度响应9。PCF 具有较高的双折射效应,利用 PCF 双折射等特性可以开发出具有高灵敏度的液压传感器10。本文回顾了四种典型的 PCF 液压传感技术,介绍了相关的工作原理,并对其主要性能进行了比较和分析,最后总结了 PCF 液压传感器的研究现状、发展特点及发展趋势。1PCF 及其液压传感原理PCF 也可称为微结构光纤,其主要特征是在光纤横截面上规则地排列着各种气孔,即在其横截面上具有复杂的折射率分布。如图 1(a)所示,传统的单模光纤(SMF)由纤芯和包层组成,纤芯具有更高的折射率,当光线满足全内反射条件时即可在纤芯内传播11;如图 1(b)所示,PCF 一般由单一的二氧化硅材料组成,光纤截面上规则排列的气孔提供了一种类似于阶跃折射率光纤的折射率分布,其导光机理为改进的全内反射;另外 PCF 还可以是空芯的,如图 1(c)所示,空芯 PCF 的纤芯折射率低于包层,但当气孔间距和气孔直径满足一定条件时,包层可以对一定波长的光形成光子能隙,光就会被束缚在空芯中,这种机24量 子 电 子 学 报40 卷理被称为光子能隙导光机理12。由于 PCF 结构的特殊性和设计的灵活性,使其具有许多独特的物理性质:可控的非线性、无尽单模特性、可调节的奇异色散、低弯曲损耗、大模场等11,12。同单模光纤类似,PCF 也可通过刻写光纤布拉格光栅或构建光学干涉实现液压传感13。如利用 PCF 的高双折射特性设计出的双芯光子晶体,可应用于 Mach-Zehnder 干涉的液体静压传感器14。PCF 由于引入了灵活分布的气孔,很容易引起双折射15,16。巧妙地设计 PCF 结构,可以尽可能地提高 PCF 传感器的灵敏度。图 1(a)单模光纤;(b)PCF;(c)空芯 PCFFig.1(a)Single mode fiber;(b)Photonic crystal fiber;(c)Hollow-core photonic crystal fiber随着光纤制作工艺的不断提升17,各种光子晶体传感技术逐渐涌现,研究人员充分利用光子晶体的特性研制出了超高灵敏度的液压传感器18,其中 PCF 的双折射效应在液压传感方面应用最为广泛。光纤的相位双折射和群模态双折射可表示为19B=n=nx ny,(1)G=B dBd,(2)式中:nx、ny分别是 x、y 方向两个偏振模态的有效折射率,是光波长。由于光弹效应20,光纤的折射率会随外界液压的变化而变化,施加液压后的光纤折射率为|nx=n0C1xC2(y+z)ny=n0C1yC2(x+z)nz=n0C1zC2(x+y),(3)式中:x、y、z分别为 x、y、z 三个不同方向上的应力分量,C1=6.5 1013m2/N、C2=4.2 1012m2/N 为纯二氧化硅的应力-光学系数。采用宽带光源(BBS)作为输入光,将保偏 PCF 置于液压变化的环境中,通过耦合器和光谱分析仪(OSA)会发现干涉峰的偏移,其压强灵敏度定义为SP=P.(4)基于保偏 PCF 的传感器可同时进行压力和温度的双参数测量9,21。由于 PCF 具有非对称孔结构,快轴和慢轴对环境压力的响应不同,且一般慢轴具有较高的灵敏度。然而,由于两个轴表现出相似的热膨胀,导致两种极化对温度的响应差异非常小。各峰的波长漂移量可以体现出温度和压力的变化,即第 1 期刘华北等:光子晶体光纤液压传感技术研究进展25|TP|=1D|Sx,pSy,pSx,TSy,T|yx|,(5)D=Sx,pSy,T Sx,TSy,p,(6)式中 Sx,p、Sy,p、Sx,T、Sy,T为 x 方向和 y 方向两个偏振模态的液压和温度灵敏度。2PCF 液压传感技术2.1双双双折折折射射射 PCF 液液液压压压传传传感感感技技技术术术PCF 的高双折射特性提供了构建 Sagnac 干涉液压传感器的理想条件22。在图 2 中,将保偏 PCF 拼接到一个 3 dB 耦合器环路中构成干涉回路;耦合器将输入的 BBS 分成两个方向相反的光束,通过 OSA在耦合器的另一端检测干涉信号。在静液压下,光纤因应力而产生的形变相对较小,干涉谱相位变化可认为主要源于双折射变化。液压灵敏度由双折射变化决定,通过优化气孔排列可以得到很高的双折射,进而提高液压灵敏度,这种基于 PCF 的 Sagnac 干涉仪(SI)传感器具有超高的灵敏度。2010 年,F avero等20设计了一种高双折射 PCF,并实验获得了 3.4 nm/MPa 的液压灵敏度和 0.29 pm/