新型微结构光纤传感技术

微结构光纤作为一种新型光纤,有许多独特特性,在光纤激光器和放大器应用中也有与众不同的优势。

微结构光纤可获得非常大的模场面积,可以根据需要灵活地设计光纤模场面积。例如多孔微结构光纤可通过改变孔间距调节有效模场面积,调节范围可到800。瓣形微结构光纤可通过光纤瓣数、折射率差、折射率系数、内外半径来调节有效模场面积,调节范围可达900。具有大模场面积的光纤可降低功率密度和非线性效应,并提高连续波和脉冲激光器系统的标定功率,这对开发光纤激光器和放大器非常有利,即能经受更高的功率,又不会达到使器件损伤的功率密度。大芯径光纤还可调节波导色散,使单模截止移到更短的波长,并扩大有用的传输光谱。

对于光子晶体光纤而言,其一个重要特点是其可以灵活控制的色散特性。就光子晶体光纤的结构特征来说,它对波导色散有较高的控制性。常规光纤是在石英玻璃中掺杂而在截面内形成一定的折射率分布制成的,由于材料不匹配会造成光纤损耗,因此纤芯和包层的折射率差不能过大.光子晶体光纤由单一材料(纯二氧化硅)构成,它不存在常规光纤的材料不匹配现象。通过合理调节空气孔的尺寸和间距,可以获得较大的折射率差,从而更有效的控制波导色散。因此,通过设法改进PCF的波导结构就可以实现各种期望的色散特性。光子晶体光纤的一个重要特点是零色散点可以向短波长大大推进。传统常规单模光纤的零色散点通常在1310nm处。而通过合理的调节PCF的气孔大小和间距,可以将零色散点移至800nm左右。零色散点向短波长移动,使得PCF能够在波长低于1.3μm获得反常色散(正色散),这是传统阶跃光纤无法做到的,该反常色散特性第一次为短波光孤子传输提供了可能。另外,通过适当设计空气孔的参数,可以在极宽的波段范围内具有平坦色散瓣形微结构光纤中,色散特性也可以灵活调节。基于微结构瓣形微结构光纤结构的特殊性,它是由高折射率介质n,作纤芯,高低折射率介质(n、,n2)在角向周期性交错排列作包层,形成一种花瓣形结构。其包层的折射率分布可以等效成梯度折射率分布。通过改变nl,瓣数N,相对折射率差,折射率系数Y,内半径a和外半径b,得到不同的色散曲线。K.S.Chiang等人就通过设置合理的光纤参数,使得瓣形微结构光纤在全波段单模,单模直径达到34μm,并且基模的色散损耗始终小于10dB/m。

从20世纪70年代环形光纤的概念被提出以来,微结构光纤逐渐走入了人们的研究视野当中,微结构光纤的种类也变得多样化。常用的微结构光纤有三种:

一、多孔微结构光纤

多孔微结构光纤又称为光子晶体光纤(既F),最早于19%年英国Bath大学的首次制造了具有光子晶体包层的光纤。它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔,从光纤端面看,存在周期性的二维结构,如果其中一个孔遭到破坏和缺失,则会出现缺陷,光能够在缺陷内传播。与普通单模光纤不同,PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成,所以又被称为多孔光纤或微结构光纤。由于PCF的空气孔的排列和大小有很大的控制余地,可以根据需要设计PCF的光传输特性,所以它激起了人们浓厚的兴趣。

PCF横截面具有周期性微孔结构,并且孔的大小与波长同一个数量级,故可通过优化设计微孔大小、填充率以及排列等方式获得一系列"奇异"的光学性质。由于PCF结构的特殊性,它由于具有一系列"奇异,,的光学特性而倍受重视。与常规光纤相比,PcF相对于传统光纤具有独特的优势:全波段单模传输、高非线性、大模场面积、可控色散特性等。基于此,PcF不仅有可能成为比常规光纤更优异的光传输介质,而且还可以用来制作各种前所未有的、功能新奇的光子器件,在频率变换、色散补偿、超连续谱的产生等领域都有着很大的应用前景。因此,具有周期结构的PCF已迅速成为光电子领域的热点。

根据PCF的导光原理,PCF可以分为两类:

(1)光子带隙型光子晶体光纤(PGB一PCF)合理设计包层空气孔结构,可以使得包层沿着光纤横截面上存在着光子禁带。当导波频率在包层禁带范围内时,光在包层不能传播,从而被严格限制在纤芯中传播。纤芯缺陷材料折射率比包层低,一般为空气,想要在包层中形成光子禁带,对空气孔的周期性排列要求非常严格。

(2)全内反射式光子晶体光纤

全内反射式光子晶体光纤其结构与传统光纤类似,不同之处在于这种光纤的包层结构是多孔结构。中心的实心缺陷为纤芯,包层的周期性多孔区域形成一种渐变折射率分布,纤芯与包层之间通过引入空气孔形成了一定的折射率差,使得光在包层区域发生全内反射,从而光可以在纤芯区域传播。

二、Bragg光纤

布拉格光纤(Bragg fiber)是一种一维微结构光纤其纤芯一般为折射率较低的介质(通常是空气),包层是径向折射率一维高低周期性分布的介电结构,也可以看作是多层介质镜,光纤的模式由Bragg反射束缚在芯层中。Bragg光纤的包层区域的高低折射率介质的折射率差一般很大,又被称为全向导波光纤或同轴光纤。

Bragg光纤相对于传统的阶跃光纤和梯度折射率光纤有几个优点:

1.电磁波主要在纤芯的空气区域,因而其传输损耗和材料色散很小;

2.基模场分布圆周方向均匀,传输过程中偏振态不发生变化;

3.可在很宽波长范围内单模工作;

4.通过结构参数设计、介质材料选取、工作波长确定可使零色散波长位于

单模范围,在传输过程中保持脉冲形状不变;

5.弯曲半径到波长数量级时仍保持良好的导光能力等。

不过Bragg光纤由于折射率差很大,非线性效应较高,当传输的激光功率很高时,容易产生非线性,大大影响其作为高功率激光器和放大器性能。

三、瓣形微结构光纤

瓣形微结构光纤又称为瓣形光纤(SCF),是一种新型微结构光纤,最早由V.Rastogi,K.s.chiang等人于2001年提出,并在2004年拉制出了第一根瓣形微结构光纤1281。SCF纤芯为一种高折射率介质,包层为高低折射率介质相互交错周期排列的瓣形分布。

瓣形微结构光纤突出的优点在于具有大的单模尺寸。同光子晶体光纤不同的是,瓣状光纤高低折射率介质的折射率差非常小,非线性系数小,便有效地减小了偏振模色散,适合于高速信号传输。此外,由于其大单模尺寸,在高功率的情况下,单位面积的功率比常规光纤小很多,能够有效遏制非线性效应,减少高功率时光纤端面损伤,因此瓣状光纤在高功率传输、高功率放大器和激光器中有很大的用途。

表面等离子体波共振技术的研究始于20世纪60年代,起初只是棱镜表面的等离子体波共振,1993年等人Jorgenson[96一98J等人提出了两种基于光纤的表面等离子体(SPR)传感装置,使得光纤表面等离子体传感技术得以实际应用。随着近几年微结构光纤研究的不断深入,2004年以后表面等离子体技术被使用到微结构光纤中。

对于光纤表面等离子体增强应用来说,最困难的是光纤的模式与金属膜之间的模式匹配,传统光纤通过光纤的高阶模与金属膜实现模式匹配,为了让高阶模更好的祸合入金属膜,光纤包层被剥去,或者在光纤包层处刻上一层光栅。微结构光纤与传统光纤不同之处是微结构光纤的模式折射率可以用中心的小孔或者瓣形结构来降低,当两者匹配时,传播光与金属膜之间的祸合也可以通过合理设计镀膜位置来完成,极大地提高了祸合效率,并且由于微结构光纤纤芯很粗,在表面等离子体传感应用具有独特的优势。

微结构光纤在传感器方面有很多应用,由于瓣形微结构光纤是很新的一种光纤,目前还没有人报道在传感方面的应用,故此处只介绍多孔微结构光纤在传感中的常见的几个应用。

(1)多孔微结构光纤弯曲传感器:

一方面,当光纤受到弯曲作用时,弯曲损耗迅速增加,由透射光光强的变化可以测试出光纤的弯曲半径。丹麦的Knudsen、Erik等人使用此方法进行弯曲损耗的测试。另一方面,对于双芯或多芯的多孔微结构光纤,当它受到弯曲作用时,不同纤芯的光会产生光程差,从而导致干涉,通过测量干涉光就能够得到弯曲半径的大小。英国的w.N.MaePherson、M.J.oander等人就利用此方法实现了双芯光纤弯曲度的测量,其弯曲分辨率为170 urad,相位分辨率为22urad。这种光纤中的两个纤芯处于同一测量环境,抗温度影响能力较强,应用方便灵活,但对光纤本身结构要求较高。

(2)多孔微结构光纤拉伸传感器:

一方面,多孔微结构光纤在拉力作用下,光纤的结构参数会发生变化,色散特性也会随之变化,通过测量色散的变化情况就能够得到其长度的变化情况。另一方面,在传统光纤中,引入一个参考臂,当拉力作用于光纤时,便会和参考臂之间产生一个光程差,在汇合处发生干涉。通过测量干涉,便能得到拉伸长度。这种方法的相位灵敏度可达90radkm。多孔微结构光纤也可使用这种方法,相对与传统光纤,微结构光纤更容易在形变过程中保持单模,从而更好的满足干涉条件

(3)多孔微结构光纤气体或液体传感器:

在空气孔中冲入气体时,微结构光纤中传输的光强度会发生变化,通过测量输出光强的变化就能够测出光纤中充入的气体种类。香港理工大学的YL.Hoo和W.Jin等人利用这种方法测试了光纤中的气体。当空气孔中充入包含某种介质的液体时,光纤出射端的光谱会发生改变,通过与不含介质的液体所得到的光谱作对比,可以得到包含的介质种类和浓度。这种方法可以用于液体污染和生物分子检测当中。

(4)多孔微结构光纤超连续谱应用:

1999年Ranka等人采用PcF产生了超连续光谱,并研究了PcF中产生超连续光谱的机理,大多数观点把PCF中超连续光谱的产生归功于自相位调制(SPM)和四波混频(FWM)。当强激光脉冲与非线性介质发生作用时,各种不同频率相互作用就产生了新频率的激光,这种相互作用越强,产生的频谱展宽越宽,从而生成一定波长范围的宽带光谱。超连续光谱的宽度由非线性介质的色散和输入激光脉冲的强度决定。为了产生较宽的超连续光谱,通常将非线性光纤的负色散设计在注入脉冲波长处。

(5)多孔微结构光纤光栅传感器:

1999年B.J.Eggleton等人首次报道在光子晶体光纤上写入光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅以来,光子晶体光纤光栅的制备方法及理论分析正成为人们研究的热点。与传统的光纤光栅相比,PCFG具有如下特性:二维或多维光子晶体、设计自由度大(如单芯或多芯、空气孔可填充介质等)、波长调谐范围宽(可达IO0nm以上)、可进行多参量、多功能感测等。PCF及PCFG的出现,将促进并产生全新的性能优异的新一代光纤光子器件,由此可能导致现代光纤技术的新跨越。

微结构光纤突出的优势是具有超大单模模式面积,单位面积承受的激光功率很低,因而在高功率传输时,微结构光纤中的光纤材料的非线性远远小于常规单模光纤,可用于大功率能量传输,在短脉冲能量传输中有很大的应用。2004年,英国Bath大学的F.Luan等人成功地用sm长的包层充氮的空心、光子晶体光纤中传输了波长为800nm、脉宽小于30Ofs、峰值功率为2.2MW、重复频率为5kHz的孤子脉冲,最低损耗为0.27dB/m