一種折射率傳感的雙芯光纖設(shè)計(jì)

劉旭安，陳達(dá)如，吳根柱，彭保進(jìn)

(1.黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山245041；2.浙江師范大學(xué)－浙江大學(xué)光學(xué)聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310058)

1 引 言

在許多領(lǐng)域如化學(xué)、生物及光學(xué)應(yīng)用等，折射率的大小對(duì)于分析介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)和特性起著重要的作用?；谡凵渎蕚鞲行偷墓饫w傳感器在過(guò)去十幾年里由于其許多獨(dú)特的性質(zhì)如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高靈敏度、與光纖的兼容性、抗電磁干擾等等引起人們廣泛的關(guān)注，相繼提出了基于長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感型光纖傳感器[1-3]、光纖布拉格光柵[4-6]、法布里-珀羅干涉儀[7-9]、表面等離子體[10-12]、光子晶體光纖[13-15]等。最近，幾種基于微流控技術(shù)的折射率型光纖傳感器被設(shè)計(jì)出來(lái)[16-18]，文獻(xiàn)[18]還介紹了通過(guò)飛秒激光加工與刻蝕技術(shù)在光纖中引入微通道的相關(guān)工藝。

本文設(shè)計(jì)了一種新型雙芯光纖，該折射率傳感型光纖的橫截面兩個(gè)纖芯沿豎直方向?qū)ΨQ分布，兩纖芯中間位置引入一個(gè)小空氣孔作為微通道。雙芯光纖中兩纖芯之間的模式耦合對(duì)中間空氣孔的介質(zhì)材料折射率具有高度的敏感性，因此，其中一個(gè)纖芯的輸出光譜和中間空氣孔的介質(zhì)材料折射率具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)傳感。這種折射率傳感型的雙芯光纖傳感器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此具有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)。

2 光纖傳感特性分析

本文提出的新型折射率型的雙芯光纖傳感器，其截面基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該型光纖兩纖芯沿豎直方向?qū)ΨQ分布，中間引入一個(gè)微型空氣孔作為一個(gè)微通道。光纖的外直徑為D，兩纖芯分別為α 和β，其直徑為d，之間的距離為H，中間微型空氣孔的半徑為r，該雙芯光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。為了簡(jiǎn)化分析，規(guī)定光纖包層純二氧化硅的折射率為1.45，空氣折射率為1。光纖包層中二氧化硅和兩纖芯之間的折射率差定在0.36%。在數(shù)值計(jì)算中，基本的參數(shù)設(shè)定為r=2μm,H=20μm,d=8.2μm,D=125μm，且光纖的外直徑和纖芯直徑大小和傳統(tǒng)的單模光纖尺寸保持一致。本文采用全矢量有限元法來(lái)分析該型雙芯光纖的傳感特性。

圖1 新型雙芯光纖截面結(jié)構(gòu)示意圖

由圖可知，完全相同的兩纖芯對(duì)稱分布，形成兩個(gè)相同的波導(dǎo)，由于兩芯之間間距較小，因此兩波導(dǎo)之間模式會(huì)發(fā)生耦合。如果在該光纖的輸入端兩纖芯α 和β 注入的光功率分別為1和0，根據(jù)傳統(tǒng)模式耦合理論[19]，在長(zhǎng)度為z的該型光纖的輸出端，兩纖芯α 和β 的輸出光功率分別為

其中na和nb分別為該型光纖偶模和奇模的有效折射率，為有效折射率差。

圖2 光纖剖面電場(chǎng)模式分布圖

圖3

3 計(jì)算結(jié)果

圖2給出了該雙芯光纖沿徑向的電場(chǎng)分布曲線，圖中插入部分為該雙芯型光纖剖面電場(chǎng)分布圖，其中圖a為偶模時(shí)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布，圖b為奇模時(shí)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布，基本參數(shù)為r=2μm,H=20μm,d=8.2μm和D=125μm，且工作波長(zhǎng)為λ=1550nm，光纖中心小孔介質(zhì)材料折射率為1。計(jì)算的有效折射率結(jié)果為ne=1.45223420107（偶模）和n0=1.45223040796（奇模），其中兩纖芯之間的耦合長(zhǎng)度Lc=π/(2S)=0.2043cm。可以看出有效折射率差△neo大小隨工作波長(zhǎng)和光纖中心小孔介質(zhì)折射率的變化而變化。

圖3（a）給出了該雙芯光纖中間小孔介質(zhì)材料折射率分別為1, 1.05, 1.1, 1.15, 1.2, 1.25, 1.3, 1.35,和1.4，工作波長(zhǎng)在1500nm到1600nm范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的折射率差△neo的變化曲線。由圖可知，當(dāng)光纖中心小孔介質(zhì)折射率一定時(shí)，有效折射率差△neo隨工作波長(zhǎng)變化而緩慢變化，當(dāng)光纖工作波長(zhǎng)一定時(shí)，有效折射率差△neo隨光纖中心孔介質(zhì)折射率增大而增大。圖3（b）給出了長(zhǎng)度為1m且中間小孔介質(zhì)材料折射率分別為1, 1.15, 1.2時(shí)的該型雙芯光纖β的纖芯輸出端的輸出光功率譜P2(λ)的變化情況。從圖中可以看出，由于該型雙芯光纖β的纖芯輸出端的輸出光功率譜P2(λ)=sin2(△neo·πz/λ)，所以其輸出光功率譜變化曲線類似于一個(gè)正弦函數(shù)，且隨著光纖中心孔介質(zhì)折射率增大，其輸出光功率譜變化曲線向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

圖4

圖5 在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，雙芯型光纖β纖芯輸出光譜隨光纖中心小孔介質(zhì)折射率變化的分布曲線

圖4 （a） 給出了該雙芯光纖在工作波長(zhǎng)為1500 nm時(shí)折射率差△neo隨光纖中心小孔介質(zhì)折射率變化而變化的分布曲線。圖4（b）給出了該雙芯光纖在工作波長(zhǎng)為1500nm時(shí)光纖β纖芯輸出端的波長(zhǎng)平移量△λ 隨光纖中心小孔介質(zhì)折射率變化的分布曲線。從圖中可以看出，該雙芯型光纖β纖芯輸出光譜中波長(zhǎng)平移與光纖中心小孔折射率之間具有一一變化對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此該型光纖可以制作出一種折射率傳感型光纖傳感器。計(jì)算結(jié)果顯示，在光譜分析儀分辨率為1pm情況下，該型光纖傳感器在光纖中心小孔介質(zhì)折射率分別為1和1.4時(shí)對(duì)應(yīng)的靈敏度為38.1207nm/RIU(2.623×10-5RIU)和1028.5464nm/RIU(9.7225×10-7RIU)，折射率傳感范圍為1到1.45。

圖5給出了該雙芯型光纖纖芯輸出光譜隨光纖中心小孔介質(zhì)折射率變化的分布曲線。對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為(r=2μm,H=20μm,d=8.2μm,D=125μm，L=1m),(r=2μm,H=20μm,d=8.2μm,D=125μm，L=0.5m)和(r=1μm,H=20μm,d=8.2μm,D=125μm，L=1m)。光纖中心小孔的尺寸大小可以根據(jù)具體的折射率傳感應(yīng)用而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的新型雙芯光纖，通過(guò)在光纖中心引入一個(gè)小孔，改變?cè)摽捉橘|(zhì)折射率來(lái)影響兩纖芯之間的模式耦合，從而使得光纖中心小孔折射率與光纖纖芯輸出光譜之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)折射率傳感。通過(guò)飛秒激光加工和刻蝕技術(shù)可以在該型光纖截面中心引入小孔。該折射率傳感的雙芯型光纖的傳感原理主要是基于兩纖芯的模式耦合理論。在一定的長(zhǎng)度條件下，根據(jù)模式耦合理論，當(dāng)偏振光入射到該光纖其中一個(gè)纖芯時(shí)，在光纖輸出端的另一個(gè)纖芯上會(huì)輸出類似正弦函數(shù)曲線的光譜分布。我們還給出了光纖中心小孔介質(zhì)折射率與光纖輸出光譜平移之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且研究了該折射率傳感型雙芯光纖的靈敏度和分辨率特性。

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