一种基于光子晶体光纤的高灵...nac型温度传感器建模研究_赵丽娟.pdf

第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02060041一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究赵丽娟1，2，3，吴雨静1，徐志钮1，刘琪1（1 华北电力大学 电气与电子工程学院，保定 071003）（2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室，保定 071003）（3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，保定 071003）摘要：为提高 Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度，提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料，使光纤具有良好的温敏特性。在 COMSOL 中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算，利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式，最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到 2.050 7105/，在 1 550 nm 处可获得 5.96102的双折射。将 2 mm 光子晶体光纤应用于 Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析，利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度，提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在 075 范围内传感器平均灵敏度可达 11.28 nm/，与现有典型 Sagnac型温度传感器相比，本文 Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，并且测温范围更大、准确性更高。因此，该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。关键词：光子晶体光纤；Sagnac型温度传感器；双折射；温度灵敏度；乙醇填充中图分类号：TN253 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02060040 引言干涉型温度传感器通过不同结构的干涉仪将两束或多束光汇合发生干涉，利用光纤中光相位随光纤所处环境温度的变化而变化实现传感。常见的干涉仪包括迈克尔逊干涉仪、法布里-玻罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪以及光纤 Sagnac干涉仪1-2。光纤 Sagnac干涉仪最初被用来制作光纤陀螺仪3-4，随后基于 Sagnac干涉仪的温度传感器因其灵敏度高、制作简易被广泛应用在传感领域5。通常在 Sagnac型温度传感器中插入一段特殊光纤作为传感部分，当外界温度变化时，分别在光纤两个偏振态传输的两束光相位差会因光纤双折射的变化而发生变化，分析因两束光相位差变化引起的光谱偏移，即可实现传感测量6-7。2013 年，QI Fei 等8提出了一种基于乙醇灌注边孔光纤（Side-hole Fiber，SHF）的 Sagnac 型温度传感器，利用乙醇的折射率随温度变化，改变光纤的双折射系数，进而导致输出谱的波长漂移，在 2080范围内实现 86.8 pm/的灵敏度，与普通光纤布拉格光栅传感器相比灵敏度得到大幅提高。为了提高灵敏度，2017年，RUAN Juan 等9将薄芯光纤（Thin-core Fiber，TCF）结合熊猫型保偏光纤应用于 Sagnac型温度传引用格式：ZHAO Lijuan，WU Yujing，XU Zhiniu，et al.Modelling Study of a High Sensitivity Sagnac Temperature Sensor Based on Photonic Crystal Fiber J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0206004赵丽娟，吴雨静，徐志钮，等.一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac 型温度传感器建模研究 J.光子学报，2023，52（2）：0206004基金项目：国家自然科学基金（Nos.62171185,62273146），河北省自然科学基金（Nos.E2019502177,E2020502010），河北省省级科技计划（No.SZX2020034），中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金（No.2021MS072），2022 年 大 学 生 科 技 创 新 培 育 专 项（No.9101522005）第一作者：赵丽娟，通讯作者：徐志钮，收稿日期：2022 09 19；录用日期：2022 11 29http:/光子学报02060042感器中，Sagnac环中传感光纤为 55 cm，得到 1.54 nm/的温度灵敏度，虽然灵敏度得到了提高，但其传感器内部使用的光纤较长，不利于传感器的小型化。由于普通光纤的双折射有限，干涉光谱跟踪响应的解调比较困难，Sagnac环中传感光纤通常很长，在实际应用中不方便。而且在低双折射光纤两个偏振方向传播的光信号易因外界干扰发生耦合10，对传感器性能产生不利影响。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）灵活的结构设计性为实现高双折射提供了条件，并且通过在 PCF 空气孔中填充温敏液体能够实现较高的温度灵敏度11-12，将高双折射光子晶体光纤应用于 Sagnac 型温度传感器中成为一大研究热点。2012 年，CUI Ying 等13将 11.7 cm 长 的 选 择 性 填 充 光 子 晶 体 光 纤 应 用 于 Sagnac 温 度 传 感 器 中，实 现2.58 nm/的灵敏度。2017年，LI Xuegang等14使用一种长 20 cm 的乙醇填充 PCF 制成全光纤型 Sagnac温度传感器，在 2533 内温度灵敏度为 1.65 nm/，测温范围较小。同年，WU Jianjun等15设计了一种掺硼的光子晶体光纤，将其用于 Sagnac干涉温度传感实验，在 20100 范围内实现测温，虽然测温范围得到了提高，但测量灵敏度仅为 1.10 nm/。现有基于 PCF的 Sagnac型温度传感器性能尚待进一步提升。为了实现 Sagnac型温度传感器性能的提升，本文提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过有限元分析方法16对该光纤的传播特性进行分析，研究了光纤结构参数对光纤双折射系数和双折射温度灵敏度的影响以及温敏液体的填充方式、填充液体类型对光纤双折射温度灵敏度的影响。最后将设计的光子晶体光纤应用于 Sagnac型温度传感器中，并通过仿真对传感器的性能进行研究。结果表明，在 1 550 nm 处，该光纤的双折射系数高达 5.96102，光纤的双折射温度灵敏度能够达到 105/量级。基于此光子晶体光纤的 Sagnac型温度传感器在 075 范围内平均灵敏度达 11.28 nm/，最高灵敏度达 15.94 nm/，且所使用 PCF 长度仅为 2 mm，在实际使用中较方便。与现有传感器相比，此传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，传感范围也得到了一定的扩大，同时提出采用二次多项式拟合波长与温度的关系，提高了温度测量的准确性。具有结构简便、测温范围广、灵敏度高等优势，为小型化大测量范围高灵敏度温度传感的实现和应用提供了一种有效的设计方案。1 理论分析及结构设计1.1传感原理与系统结构光纤的双折射系数会随温度的变化而变化，利用这一特性可制作温度传感器17。光子晶体光纤对温度的灵敏度有限，利用温敏液体对光纤进行填充，能够有效提高光纤的双折射温度灵敏度。通常，温敏液体的热敏系数可表示为18n=n0-(T-T0)（1）式中，T为工作温度，为液体的热敏系数，T0为某已知温度，n0为该已知温度下液体的折射率，n为液体在工作温度T时的折射率。乙醇的热敏系数为 3.94104 K1，20 时折射率为 1.360 48；甲苯的热敏系数为5.273104 K1，20 时折射率为 1.477 00；聚甘油的热敏系数为 2.6104 K1，20 时折射率为 1.462 00。分别采用乙醇、甲苯和聚甘油对光子晶体光纤进行填充。基于 Sagnac干涉仪的温度传感器，其原理性结构示意如图 1，由光源、3 dB耦合器、液体填充的高双折射光子晶体光纤、偏振控制器（Polarization Controller，PC）以及光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA）构成。图 1Sagnac干涉仪型温度传感器原理Fig.1Schematic of the Sagnac interferometer temperature sensor赵丽娟，等：一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究02060043光源发出的光经过 3 dB 耦合器后分成两束相同强度的光，一束沿顺时针方向传输，另一束沿相反方向传输。经过环路的传播，当两光束再次进入耦合器时，耦合成一个光束输出至光谱分析仪。由于光子晶体光纤的双折射特性，返回耦合器的两束光会产生一定的相位差，表示为19=(x-y)L=2BL（2）式中，为传播常数，L为光子晶体光纤的长度，为工作波长，B为光纤的双折射系数，可表示为20B=|Re(nxeff)-Re(nyeff)|（3）式中，nxeff和nyeff分别为 x偏振态和 y偏振态的有效模式折射率。Sagnac型传感器的透射谱可表示为21H=1-cos()2=1-cos()2BL 2（4）其透射谱凹点对应波长dip满足关系式=2BLdip=(2k+1)（5）式中，k为常数，进而可得dip=2BL2k+1（6）当外界环境温度发生变化时，dip会由于光纤长度和双折射变化而发生偏移，长度和双折射变化量分别为L和B。波长偏移量dip可表示为dip=2LB+2BL2k+1（7）由于石英和乙醇的热膨胀系数分别为 0.5106 K1和 1.09103 K1，均非常小。可以忽略光纤因热膨胀导致的长度变化，因此，dip的偏移量可以表示为dip2LB2k+1（8）基于 Sagnac干涉仪的温度传感器，其灵敏度S可以由式（9）得到S=dipT（9）式中，dip是凹点偏移量，T是温度变化量。因此，在一定温度变化范围内，传感器的温度灵敏度随dip偏移量的增大而增加。由式（8）可知，在传感器中光纤长度保持不变的情况下，一定温度变化范围内光纤双折射变化量越大，dip就越大。分析光纤的双折射温度灵敏度，即可反映传感器的灵敏度。光纤的双折射温度灵敏度可通过光纤双折射变化量B与温度变化量T的比值来分析22，即=BT（10）1.2光纤设计光纤双折射系数随光纤结构在 x、y偏振轴之间不对称性的增加而增大。温度变化对光纤双折射系数的影响越大，光纤的双折射温度灵敏度越高，基于此光纤的 Sagnac型温度传感器的灵敏度就越高。综合考虑此因素和光纤制造难度，本文设计的光子晶体光纤横截面结构如图 2。光子晶体光纤包层区域由五层空气孔按照六边形排列，其中圆形空气孔与椭圆形空气孔交错排列，整体呈现轴对称分布。最内层由四个椭圆空气孔构成，基底材料为纯石英，折射率为 1.45。纤芯由中心空气孔缺失形成，最内层空气孔的分布增加了光纤结构的不对称性，有利于改善光纤特性。经过系统的光纤性能分析，确定了结构参数。其中，圆形空气孔的直径 d=0.775 m，小椭圆空气孔长轴 a1=0.775 m，短轴长为 b1，孔间距为 d1。大椭圆空气孔长轴 a2=1.328 m，最内层椭圆空气孔长轴 a3=1.594 m，短轴长为 b3=0.57 m。光子学报020600442 建模与结果分析利用 COMSOL有限元分析软件建立了光子晶体光纤的电磁场模型，采用较细化网格进行剖分，并在光纤外层添加完美匹配层。根据光纤结构参数对双折射系数和光纤双折射温度灵敏度的影响进行光纤结构优化。在此结构基础上，从温敏液体的填充方式、温敏液体的类型两方面研究了对光纤双折射温度灵敏度的影响。最后将此光子晶体光纤应用于 Sagnac型温度传感器并进行传感器性能仿真分析。2.1结构对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响建模基于如图 2 所示的光纤结构参数，图 3 为 b1=0.30 m，d1=0.80