基于空芯光子晶體光纖微位移傳感器

1.簡介
從1999年開始帶隙型光子晶體光纖(PCF)的發展開始，空芯光子晶體光纖(HC-PCF)已經備受注視?？招竟庾泳w光纖的幾何特點是微結構的空氣孔沿周圍的空芯光纖的整個長度運行。導光是在這些纖維通過光子帶隙取代全內反射(TIR)的來實現，使得需要獲得TIR的擺脫幾何束縛并且使得捕獲的光在空氣芯變的有可能。此外，這些纖維表現出顯著的優點，例如由于折射率小的不連續性的與外面的世界產生的極小的菲涅耳反射；導光，材料形成的纖維，用天然氣填充纖維的核心的能力，以及液體導致的高光/樣本重疊[1,2]的低相互作用，這些優勢導致基于空芯光子晶體光纖的出色應用，如氣體傳感[3]，若丹明傳感[4]，DNA檢測[5]，粒子的指導和懸浮[6]，以及其他。然而，空芯光子晶體光纖出現了支持多種模式的缺點：除了基本核心模式，他們出現了更高階的核心模式，包層模式和表面模式[7]。即便如此，在沿光纖長度傳播后不同類型的模式會有大幅衰減，并且通過一個長纖維光傳輸后只有核心模式的存在。除此之外，這一與空芯光子晶體光纖的小長度有關的缺點可用于實用的目的。多模式操作在空芯光子晶體光纖的很短的長度中 打開了用光纖傳感潛在的有趣的特性建立模態干涉儀的可能性。一種干涉結構模式的基于一塊連接兩端的用于標準單模式光纖(SMF)的空芯光子晶體光纖完成演示應變和溫度的靈敏度[8]。
位移變化的監測，如航空航天，冶金，和復雜結構的健康監測，以及其他領域中是有實際利益的。有了這個作用，由于該技術的已知的優點幾種類型的位移傳感器分別建立了基于光纖技術，例如，抗電磁干擾，輕重量，遙感能力，和高復用能力。到目前為止，有一定數量的使用光子晶體光纖并基于干涉測量法的位移光纖傳感器已被報道：一種模式的干涉儀是通過一個在某一關節由帶有核心偏移的SMF-PCF-SMF組成的結構呈現的靈敏度為0.0024 dB/μm的位移變化[9]；在一個薩格納克效應干涉儀鐘采用空芯光子晶體光纖的位移傳感器被報道靈敏度為0.28286nm/mm[10]。
 
2.實驗裝置和結果

用于位移測量結構示意圖和傳感頭如圖1所示。該裝置的組成包括一個通過一個循環器照明傳感頭的寬帶光源。用一個最低分辨率為10pm的光學頻譜分析儀(OSA)觀察信號。通過把一塊HC-PCF的尾部拼接到SMF制作了傳感頭，同時使另一端的接頭緊貼著——如圖1所示為一張接頭區域的照片?？招竟庾泳w光纖（hc19-1550來自NKT光子）是通過除去來自呈現出20μm的芯型直徑，115 μm的直徑，間距為3.9μm和空氣填充率大于90%的覆蓋層的19個小孔來獲的，導致在一種多達30種模式的多模式纖維多出幾厘米。這對HC-PCF的橫截面的照片也可以看到在圖1找到。

從圖1的插圖看，這種傳感頭提出了一種反射在SMF和HC-PCF之間的界面。此外，在短距離中，HC-PCF呈現了多種傳播模式（基本核心模式，高階核心模式，覆蓋層模式和表面模式）。而且，當傳感頭接近鏡子，在引導短距離的HC-PCF中一部分的模式被反射并耦合到HC-PCF。因此，當傳感頭接近鏡子時一種模態干涉儀被獲得。這一模式干涉儀的輸出將會在傳感頭與反射鏡之間隨著微小的位移改變而有規律的變化。因此，隨位移測量輸出信號的變化，鏡子每次被拉開1 μm（相對錯誤0.5μm）。圖2呈現模式干涉儀獲得兩個不同的2.5cm長的位移的HC-PCF 的。實驗觀察到的傳感頭輸出信號變化和輸入偏振變化是可以忽略的。甚至，一個實驗的驗證是由傳感頭的敏感性對溫度變化而造成的。據觀察，傳感頭隨溫度變化的功率忽略的波動 可以不計，因為它是光在空芯光子晶體光纖玻璃傳播的預期的一小部分的（<3%）。

圖1.用傳感頭測量位移的裝置示意圖。

（插圖：傳感頭下面的微照片為傳感頭中的接頭區域；右側的微鏡照片為HC-PCF的橫截面）

位移傳感頭的實驗強度響應如圖3的點，正方形和三角形所示?？梢钥闯觯斘灰谱兓龃髸r，通過監測在干涉光譜中的一個條紋的變化，該強度可以呈現一種非線性變化作為傳感頭與反射鏡之間的距離的函數。

圖2.傳感頭的干涉信號輸出（一個2.5cm的空腔長度和兩不同的距離）

圖3.隨位移變化的傳感器強度響應（三種不同的腔的長度）

平方反比法的隨位移變化的響應強度與方向相應的方程：

(Pout為輸出功率，Pin為輸入功率，r為纖維半徑，d為位移，θ = sin−1(NA)，k為常數)   這一理論的變化表示在圖3中的藍色，黑色和紅色線分別對應5厘米的2.5厘米和1.25cm的傳感頭?？梢詮膱D3觀察到，理論值和實驗值吻合得很好，除了一開始的幾微米的位移。這種方式類似于基于附帶額外鏡子的標準光纖的傳統微位移[12]。對于少數非相互行為得到的最初的幾微米。這是由于使用用于傳感器頭校準校準儀的鏡子不允許我們去確保它們是完全平行的，而一個小夾角的出現會造成錯誤校準在短距離中導致不穩定行為，造成在較大的位移中被忽略。為了提高該傳感器的性能，干涉型光纖傳感器的特殊信號處理技術能夠被使[13]。在圖3中給出的數據的線性區域內，得到的靈敏度位移為0.22W/Mμμ（5cm的傳感頭），0.685 W/Mμμ（2.5cm的傳感頭），0.727 W/Mμμ（1.25cm的傳感頭）。該敏感性比光纖位移傳感器（基于一個顯示有0.00628 W/Mμμ的靈敏度多模塑料50:50耦合器[12]）高兩個數量級。另一個從獲得的靈敏度中得出的結論為較小長度的傳感頭的靈敏度更高。通過研究傳感器頭的特性，干涉光譜的條紋的波長間隔隨著傳感器頭的長度增漲而線性衰減，如圖(4)所示。可以看出，對于長度較短的傳感頭模式干涉儀呈現了更高的峰峰間距。這意味著傳感頭可針對任何特定情況選取長度進行定做。

圖4.傳感器探頭輸出的干涉條紋的峰峰間距的實驗變化
每個傳感頭位移的波長響應的研究。圖5呈現了通過分別監測 邊緣定位在1602.3 nm和1600.3 nm處的移位（在干涉譜分中別對應2.5cm和1.25cm的傳感頭）得到的波長響應。干涉條紋的線性移，隨著增加位移對應更短的波長，呈現−0.134 nm/mm和−0.3 nm/mm的斜坡分別對應−2.5cm和1.25cm的傳感頭。5cm的傳感頭不存在隨位移變化的波長轉換。
圖5.對應位移變化的傳感器的波長響應 （傳感器的器腔長度2.5cm（A）和（B）1.25cm）

3.結論

一個用于位移測量的空芯光子晶體光纖反射傳感頭的研究被提出并論證了。據我們所知，這是第一次用空芯光子晶體光纖作為反射位移傳感器。該傳感結構是通過利用空芯光子晶體光纖反射的一小段的多模行為的優點得到的。將所得的模態干涉儀用于測量傳感頭和鏡之間的位移。強度響應呈現了一種與位移變化響應的距離平方反比，呈現取決于傳感頭的長度的不同的敏感性。獲得的敏感度0.22(μW/μm)，2.5cm/0.685 (μW/μm)和1.25cm/0.727(μW/μm)分別對應5cm，2.5cm和1.25cm的傳感頭。 傳感頭的存在可以忽略不計的功率波動的偏振變化。此外，由于只有一小部分的光線傳播到空芯光子晶體光纖的玻璃中（<3%），該傳感頭呈現了可以忽略不計的波動的輸出功率和溫度變化。易于理解的和緊湊的傳感頭和所提出的性能的設計為應用程序提供了一個非常有吸引力的解決方案，例如在危險環境中的微位移測量，位置控制和自動控制監測。