光子晶體光纖傳感系統(tǒng)

光子晶體光纖傳感系統(tǒng)內(nèi)容一、光子晶體二、光子晶體光纖三、光子晶體光纖傳感系統(tǒng)光子晶體光子晶體—指具有光子帶隙結(jié)構(gòu)的一類周期性電介

質(zhì)結(jié)構(gòu)。理論來源—光子及電子運(yùn)動方程的可類比性。對于電子的能帶理論：其中位勢V（r）是周期性的，

頻率為ω的光在介電常數(shù)作周期性變化的介質(zhì)中傳播時，它的電矢量所滿足的麥克斯韋方程：光子晶體對比（1.1）、（1.2），可以看到，介電常數(shù)的變化相當(dāng)于勢能的變化，相當(dāng)于電子波動方程中的能量本征值。發(fā)展—由此類比，1987年美國貝爾實驗室的EliYab-lonovitch首先提出了光子晶體的概念。

光子晶體光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖天然光子晶體光子晶體

美國的Yablonovitch首先加工出了微波波段的光子晶體，并且驗證了他提出的光子晶體的理論,1991年，Yablonovitch等人首先制造出了具有完全能隙的微波波段的三維結(jié)構(gòu)的晶體，如圖所示：

光子晶體

在1992年的時候，Yablonovitch與麻省理工學(xué)院林肯實驗室的ElliotBrown及ChrisParker合作，用光子晶體反射微波天線的信號。這是光子晶體的首次應(yīng)用。1997年，梅東濱等人通過膠體生長制造出來三維二氧化硅膠體光子晶體，并對其能隙等物理性質(zhì)進(jìn)行了測試。光子晶體應(yīng)用前景廣泛:全反射鏡、天線、無閾值激光器、光波導(dǎo)、偏振片、光開關(guān)、光放大器、光聚焦器等等。光子晶體光纖光子晶體光纖—在二維光子晶體材料中引入缺陷，將

光限制在其光纖的纖芯中

根據(jù)光子晶體光纖導(dǎo)光原理的不同，可以將其分為二類：1.全內(nèi)反射光子晶體光纖（TIR-PCF)2.光子禁帶光子晶體光纖（PBG-PCF）光子晶體光纖CROW

此外，還有耦合共振器光學(xué)波導(dǎo)(CROW)，CROW由三維光子晶體中缺陷腔耦合實現(xiàn)，這些缺陷腔的共振頻率是位于它周圍的二維光子晶體結(jié)構(gòu)的帶隙之內(nèi)。光子晶體光纖全內(nèi)反射光子晶體光纖的特性：1.單模頻率范圍很寬2.其色散特性可調(diào)。光子禁帶光子晶體光纖的特性：1.無截止單模傳輸。2.色散特性同樣可調(diào)。3.大模場面積特性。4.有非線性可控特性。光子晶體光纖

此外，由于將光嚴(yán)格限制在纖芯，PBG-PCF完全消除了橫向平面內(nèi)的光損耗對于耦合共振器光學(xué)波導(dǎo)，它有可能做到無損耗彎曲，由對稱性考慮，如果獨(dú)立的共振器模具有n度的旋轉(zhuǎn)對稱性，則它就可以做到2nπ度彎曲，因為彎曲處的共振器對靠近它的兩個近鄰的共振器的耦合是一致的，它彎曲的透射系數(shù)可以達(dá)到100%光子晶體光纖光子晶體光纖最早由Russell等人于1992提出，他們認(rèn)為，如果把二維空間的折射率周期性變化引入到光纖橫截面中并沿著光纖的軸向作一維無限延伸，這種二維光子晶體結(jié)構(gòu)將有可能把光局限在光纖中央光子晶體光纖結(jié)構(gòu)缺陷中，而使光子僅僅在光纖軸向具有自由度，從而可以使光沿著光纖軸向傳播1995年，Birks等人利用平面外光子帶隙進(jìn)行導(dǎo)光從理論上證明了光子晶體光纖的可行性1996年，Knight與Russell等人成功制造出了全內(nèi)反射光子晶體光纖，并成功驗證了其只支持單模的特殊性能到1998年，真正意義上的光子晶體光纖—光子禁帶光子晶體光纖才由Russell等人拉制成功隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，人們不斷制造出各種功能的光子晶體光纖，并且將多種技術(shù)與光子晶體光纖結(jié)合起來，其用前景非常廣泛光子晶體光纖傳感系統(tǒng)由于光子晶體光纖的優(yōu)良特性，使得光子晶體光纖在光纖激光器和放大器、光纖通信和光纖傳感等眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。以下介紹一下光子晶體光纖在傳感方面的應(yīng)用。光纖傳感系統(tǒng)原理如下圖所示,光子晶體光纖傳感系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制方法將光纖傳感器分為4類：1.光強(qiáng)調(diào)制型傳感器2.偏振調(diào)制型傳感器3.波長調(diào)制型傳感器4.相位調(diào)制型傳感器光子晶體光纖傳感系統(tǒng)光子晶體光纖傳感器大致有以下四種：吸收型光子晶體光纖傳感器、熒光光子晶體光纖傳感器、光子晶體光纖光柵傳感器和干涉型光子晶體光纖傳感器光纖光柵抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單。光纖光柵的基本原理如下圖：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)按照光柵周期的長短可將均勻光纖光柵分為兩大類：1.短周期光纖光柵或光纖布拉格光柵（FBG）2.長周期光柵或透射光柵（LPG）光子晶體光纖傳感系統(tǒng)下面具體分析一下布拉格光纖光柵傳感器對溫度、應(yīng)力的傳感。布拉格波長為：neff為光纖傳播模式的有效折射率，Λ為光柵周期。布拉格波長峰值反射率為：式中是折射率最大變化量，L是光柵長度。和L越大，反射率越高。布拉格光纖光柵的中心波長移動量與溫度和應(yīng)力的關(guān)系為：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)式中，為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖材料的熱光系數(shù)，為纖材料的彈光系數(shù)忽略應(yīng)力的影響，溫度變化引起光纖光柵反射波長的變化由3.3有：可以看出，△T與△λB呈線性關(guān)系，可得光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)式中，nco為基模的有效折射率光柵所處的溫度為T0，ΔT=T-T0將λb做泰勒展開，保留二次項得將3.6代入上式得，在PCF-FBG中，基模與基模耦合的布拉格波長為光子晶體光纖傳感系統(tǒng)將3.6對溫度T求導(dǎo)，則溫度靈敏系數(shù)可分別表示為：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)由3.8,3.9,3.10可以看出，在PCF-FBG中基模與基模耦合時，諧振波長隨溫度的變化呈二次關(guān)系，PCF-FBG中的諧振波長變化與溫度呈線性關(guān)系忽略溫度影響，光纖光柵在受到應(yīng)力作用時，軸向應(yīng)力引起的光柵柵距的變化：光纖受到軸向應(yīng)力的作用時，有效折射率的變化可以由彈光系數(shù)矩陣Pij和應(yīng)力張量矩陣εj表示光子晶體光纖傳感系統(tǒng)式中：(i=1,2,3)分別表示x,y,z方向。由于剪切應(yīng)力為零，則：v是纖芯材料泊松比，光子晶體光纖傳感系統(tǒng)對于各向同性的材料，P44=(P11-P12)/2，于剪切應(yīng)力的存在，故考慮彈光張量中i，j=1，2，3的矩陣元將3.14,3.12代入3.11可得沿z方向折射率變化為：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)定義有效彈光系數(shù)Pe為：則應(yīng)力靈敏度系數(shù)為：若沿軸向施加拉力F，根據(jù)胡克定律，光纖產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為：則布拉格波長的變化為：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)在PCF-FBG中基模與基模耦合時有，在彈性范圍內(nèi)，為應(yīng)力，光纖在單軸彈性變形下的折射率變化如下：式中p11和p12為彈光系數(shù),v為泊松比，由3.22,3.23可有，式中aε為光柵基模與基模耦合時反射譜的諧振波長變化與應(yīng)力的關(guān)系系數(shù)。光子晶體光纖傳感系統(tǒng)可以看出，光子晶體光纖光柵中光柵反射波長與應(yīng)力呈線性關(guān)系

以某種溫度、應(yīng)力傳感系統(tǒng)為例，其光纖直徑100μm、纖芯直徑12μm、空氣穴直徑為8μm，其基模布拉格波長約為1535.2nm，高階模布拉格波長約為1531.3nm。基模有比高階模更大的等效折射率。據(jù)3.3式有:光子晶體光纖傳感系統(tǒng)令FBG的高階模布拉格波長漂移量為

基模布拉格波長漂移量為，基模與高階模對溫度有相同的漂移量則基模和高階模光的布拉格波長漂移量分別為：溫度布拉格波長漂移量可表示如下：光子晶體光纖傳感系統(tǒng)

溫度在0℃以上時可以獲得高于0.98pm／℃的溫度靈敏度

基模對應(yīng)力的敏感是線性的，而高階模則呈非線性變化且隨應(yīng)力增大越來越敏感光子晶體光纖傳感系統(tǒng)

基模光應(yīng)力靈敏度為1.2pm/με，高階模光獲得了高于0.83pm/με的應(yīng)力靈敏度（交點(diǎn)552με）

基模和高階模光的應(yīng)力布拉格波長漂移量分別寫為：式中：S表示基模和高階模光的應(yīng)力靈敏