光子晶体光纤温度传感器李学金

基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器摘要：针对目前温度传感器存在灵敏度偏低、结构复杂等问题，提出了一种基于SPR-PCF 的高灵敏度双芯温度传感器，在PCF 中心区域引入一个空气孔，将其表面镀一层金属膜并填充氯仿液体作为热敏材料以实现温度传感。

通过使用有限元软件COMSOL Multiphysics 研究了结构参数对传感性能的影响。

仿真结果表明，当入射波长由增加到时，在10℃~40℃和50℃~100℃这两个温度范围内分别可实现高达12.55nm/℃和2.886nm/℃的灵敏度。

关键词：表面等离子体；光子晶体光纤；COMSOL ；温度传感中图分类号：TN25文献标识码：A文章编号：2095-0438（2023）05-0153-04（淮南师范学院计算机学院安徽淮南232038）表面等离子体共振(SPR)是指在金属-介质界面处光与自由电子相互作用、产生集体振荡的一种物理现象[1]。

SPR 对金属表面附近的介质折射率变化非常敏感，因此常被用于制作各类传感器[2-3]。

由于温度会影响介质折射率的变化，近几年基于表面等离子体共振的光子晶体[4]（SPR-PCF ）温度传感器受到了众多学者的研究关注。

2012年，Yang Peng 等人[5]选择最外层部分空气孔填充液体介质并镀上金属膜，设计出一种传感灵敏度仅为720pm/℃的PCF-SPR 温度传感器。

2014年，LUY 等人[6]利用填充不同浓度分析物的PCF 和银纳米线实现温度传感，在10~40℃范围内灵敏度可达2.7nm/℃。

2016年，LIU 等人在六个填充液体介质的空气孔上镀上一层金属薄膜用于温度传感，当温度为0~100℃时，该传感器的温度灵敏度为3.08nm/℃[7]。

但以上传感器都需要对多个空气孔镀膜并填充，这容易导致多孔之间的SPR 相互干扰，降低传感性能。

2020年，魏方皓等人将椭圆空气孔引入传感器装置，并采用光纤外侧镀膜的方式在近红外波段实现了6nm/℃的高灵敏度[8]。

d o i :10.13756/j .g t x y j.2016.01.017光电器件研究与应用选择性填充光子晶体光纤的高灵敏温度传感尤承杰,施伟华(南京邮电大学光电工程学院,南京 210023)摘要:为了研制具有更高灵敏特性的温度传感器,文章提出利用光子带隙效应,在P C F (光子晶体光纤)中选择性填充热敏液体实现高灵敏温度传感㊂应用全矢量平面波展开法计算光纤带隙,带隙及其宽度随温度规律性漂移㊂当在包层空气孔中选择不同位置和结构填充热敏液体时,发现仅填充内层空气孔时,带隙随温度漂移造成的变化率最大㊂当在包层第一层空气孔中填充热敏液体,晶格周期Λ=9μm ,空气填充率分别选取d /Λ=0.9和d /Λ=0.5时,带隙边界波长检测和带隙宽度检测的温度灵敏度分别可达到22.07和7.01n m/ħ,具有精确度高和系统结构简单的优点㊂关键词:光纤光学;光子晶体光纤;温度传感器;选择性液体填充;光子带隙中图分类号:T N 253 文献标志码:A 文章编号:1005-8788(2016)01-0055-04T e m p e r a t u r e S e n s i n g Ba s e do nS e l e c t i v e -F i l l e dP C F Y O UC h e n g -ji e ,S H IW e i -h u a (S c h o o l o fO p t o e l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o fP o s t s a n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s ,N a n j i n g 210023,C h i n a )A b s t r a c t :F o r t h e d e v e l o p m e n t o f a t e m p e r a t u r e s e n s o rw i t hs t i l l h i g h e r s e n s i t i v i t y ,t h i s p a p e r p r o p o s e s t o s e l e c t i v e l y f i l l t h e r -m o s e n s i t i v e f l u i d i n t o t h eP C Fb y u s i n g t h e p h o t o n i cb a n d g a p e f f e c t s oa s t oa c h i e v eh i g h l y s e n s i t i v e t e m p e r a t u r es e n s i n g.I t c a l c u l a t e s t h eb a n d g a p u s i n g t h e f u l l v e c t o r p l a n ew a v ee x p a n s i o n m e t h o da n dt h eb a n d g a p a n d i t sw i d t hd r i f t r e g u l a r l y w i t h t e m p e r a t u r e .W h e n t h et h e r m o s e n s i t i v ef l u i di ss e l e c t i v e l y f i l l e di nt h ed i f f e r e n t l o c a t i o n sa n ds t r u c t u r e so f t h ec l a d d i n g ai r h o l e s i t i s f o u n d t h a tw h e no n l y t h e i n n e r a i r h o l e s a r e f i l l e d ,t h e v a r i a t i o n c a u s e db y t h e b a n d g a p w i t h t e m pe r a t u r e d r if t i s t h e m a x i m u m ;W h e n t h e 1s t-l a y e r a i r h o l e s o f t h e c l a d d i n g i s f i l l e dw i t h t h e f l u i d ,t h e l a t t i c e p e r i o d Λ=9μma n da i r -f i l l i n g r a t i o a r e r e p e c t i v e l y s e l e c t e da s d /Λ=0.9a n d d /Λ=0.5,t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y i nb a n d g a p b o u n d a r y w a v e l e n gt hd e t e c t i o n a n db a n d -g a p w i d t hd e t e c t i o nc a nb e22.07a n d7.01n m /ħr e s p e c t i v e l y ,w h i c hs h o w s t h ea d v a n t a g e s i nh i g ha c c u r a c y a n d s i m p l e s ys t e ms t r u c t u r e .K e y wo r d s :f i b e r o p t i c s ;P C F ;t e m p e r a t u r e s e n s o r ;s e l e c t i v e l i q u i d f i l l i n g ;p h o t o n i cb a n d g a p 0 引 言P C F (光子晶体光纤)温度传感利用了其结构的可设计性和空气孔的可填充性,具有抗电磁干扰㊁集传感与传输于一体㊁实现远距离测量和高危环境下监测等优点[1-2],受到国内外学者的广泛关注和高度重视㊂2009年,Y u [3]等人在全反射型P C F 包层空气孔中填充乙醇液体,设计了一种基于强度调制的全反型P C F 温度传感器,灵敏度达到0.315d B/ħ;2013年,P e n g [4]等人通过控制P C F 后处理过程中的空气孔塌陷,提出了一种基于液体选择性填充的P C F 温度传感器,温度灵敏度达到-5.5n m/ħ;2014年,H s u [5]等人提出了基于液体填充的P C F 迈克尔干涉仪,灵敏度也有所提高㊂总的看来,P C F 温度传感的研究工作主要基于全内反射型P C F ,检测机制主要为光强损耗检测和干涉频谱波长检测㊂光强损耗检测影响因素多㊁误差较大;而相对精度较高的干涉型频谱检测则存在设备复杂等问题㊂本文基于P C F 的带隙效应,采用带隙边界波长及宽度检测机制,有效提高了检测精度和灵敏度,通过热敏液体选择性填充P C F 的包层结构并对结构参数进行优化,进一步实现温度高灵敏度传感㊂1 光子带隙效应原理及数值计算方法1.1 光子带隙效应的原理研究发现,在带隙型P C F 内存在温致带隙压缩和漂移[4,6]效应,即在填充热敏液体的带隙型P C F内存在带隙位置随温度变化而漂移的现象,体现为带隙的起始波长与截止波长的变化;与此同时,还存在带隙相对宽度的变化㊂热敏液体的折射率随温度的变化关系可表示为n =n 0-α(T -T 0) ,(1)式中,T 为工作温度;α为液体的热敏系数;T 0为某一已知温度,n 0为该温度下液体的折射率㊂光纤基底材料选用石英时,其热敏系数比较小,约为8.6ˑ10-6ħ-1,可以忽略热膨胀对基底材料形状和折射收稿日期:2015-07-25作者简介:尤承杰(1991-),男,江苏苏州人㊂硕士研究生,主要从事光纤传感方面的研究㊂通信作者:施伟华,副教授㊂E -m a i l :n j u pt _s h i w h @126.c o m 552016年 第1期总第193期光通信研究S T U D Y O N O P T I C A LC OMMU N I C A T I O N S2016.02(S u m.N o .193)率的影响[7]㊂对于石英芯P C F ,当包层空气孔中填充高折射率的热敏液体时,温度的变化会引起液体折射率的变化,相应的带隙边缘波长会发生漂移,边缘波长的变化与温度变化前后的液体折射率㊁石英的折射率有关[8]㊂1.2 数值计算方法为研究带隙效应对应的边缘波长漂移,采用平面波展开法分析P C F 的光子带隙结构㊂应用布洛赫定理,将电磁场在倒格子空间以平面波形式展开,计算周期结构的光子能带[9-10]㊂光子晶体的介电常量ε(r )㊁电矢量E (r )和磁矢量H (r )为周期函数,结合布洛赫定理将其展开为傅里叶级数,再将倒格子空间的展开式代入特征方程,得到ðG ᶄ|k +G ||k +G ᶄ|ε-1(G -G ᶄ)㊃e 2e ᶄ2-e 2e ᶄ1-e 1eᶄ2e 1e ᶄéëêêùûúú1h ᶄ1h ᶄéëêêùûúú2=ω2c 2h 1h éëêêùûúú2,(2)式中,k 为简约波矢,G 为倒格矢,w 为单色光波的频率,c 为真空中的光速㊂通过标准矩阵对角化方法,求出矩阵的特征值和特征向量,可以得到光子晶体的能带结构以及电磁场在空间的分布㊂在空气孔中选择性填充高折射率液体,破坏了P C F 的完整周期性,需要根据不同填充的方式定义不同超晶胞进行求解㊂2 仿真结果与分析2.1 液体填充P C F 温度传感特性研究本文选取商用的宽带单模P C F 结构,其具体参数如下:基底材料为石英,空气填充率d /Λ=0.5,晶格周期Λ=5μm ,空气孔直径d =2.5μm ,层数为5层;横截面如图1所示㊂填充液体选取C a r gi l l e 实验室研制的聚合物折射率液C a t .19340,室温(25ħ)时其折射率为1.5143,热敏系数为0.000393ħ-1[8]㊂撰d图1 P C F 横截面示意图聚合物液体线性膨胀系数较小,温度在20~80ħ范围内变化时由热敏液体膨胀产生的应力较小,可忽略不计㊂当空气孔未填充时,实心P C F 属于折射率引导型光纤;在空气孔中填入高折射率材料后,转变成光子带隙引导型光纤[11]㊂当空气孔全填充时,第一带隙边界波长随温度变化如图2所示㊂第一带隙边界波长/滋m长波边界短波边界y =2.69361-0.00822xy =1.63443-0.00507x 2.62.42.22.01.81.61.41.220304050607080温度/℃图2 带隙边界波长随温度变化曲线热敏液体的热敏系数为正值,温度升高使得填充液体有效折射率减小,从而导致包层周期结构的有效折射率随之减小㊂2.2 液体选择性填充影响温度传感特性的分析在P C F 空气孔中填充热敏液体可以有效地提高温度灵敏度,而填充液体的位置会进一步影响温度传感特性㊂为此分别对图1中P C F 包层的第一层㊁第二层㊁第三层㊁第一和二层㊁第二和三层㊁全填充聚合物折射率液C a t .19340的情况进行比较,得出带隙边界波长以及带隙宽度特性的变化,分别如图3㊁图4所示㊂y 1=3.10696-0.00992xy 2=3.10631-0.00947xy 3=3.09588-0.00872x y 4=2.90963-0.00859xy 5=2.86661-0.0084x y 6=2.69361-0.00822x 带隙边界波长/滋m3.02.82.62.42.22.02030406080温度/℃50701.填充第一层2.填充第二层3.填充第三层4.填充一、二层5.填充二、三层6.全填充图3 带隙边界波长随6种不同填充结构变化曲线不同的液体填充结构会造成带隙漂移及带隙宽度的改变,当包层空气孔选择性填充高折射率的热敏液体时,由于纤芯基底为S i ,而包层同时有高折射率柱及空气孔低折射率柱,此时该光纤的导引机理应为单带隙+全内反射导引型,即为空气孔包层结构导致的全内反射型和高折射率液体包层结构导65光通信研究2016年 第1期 总第193期y 3=1.61494-0.00436x y 4=1.4205-0.00463x y 5=1.34656-0.00385xy 6=1.05918-0.00315x y 1=1.61052-0.00546x y 2=1.60157-0.00484x4.填充一、二层5.填充二、三层6.全填充带隙宽度/滋m1.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.72030406080温度/℃5070图4 带隙宽度随6种不同填充结构变化曲线致的带隙导引型的混合作用[12],不同的填充情形造成混合作用的变化,从而改变了带隙和温度灵敏度㊂从上述仿真计算及其拟合结果可知:相同温度时,在同一填充层数(一层或两层)下带隙边界波长越长,带隙宽度越大,温度灵敏度越高;填充第一层的带隙边界波长㊁带隙宽度均大于填充其他结构,填充第一层时温度灵敏度最高㊂在仅填充一层热敏液体时,相比于填充外层空气柱,填充内层第一层空气柱时,带隙边界波长向长波方向移动㊁带隙宽度增大㊁温度灵敏度增加;在图3㊁图4中,带隙边界波长变化对应的温度灵敏度可达9.92n m/ħ,而带隙宽度变化对应的温度灵敏度可达5.46n m /ħ㊂2.3 结构参数影响温度传感特性分析决定带隙结构的是P C F 包层的晶格排列结构,主要参数为填充率和晶格周期Λ㊂选择热敏液体填充包层内层第一层,取Λ=5μm ,改变空气填充率,仿真25ħ时带隙特性的变化,结果如图5所示㊂带隙边界波长/滋m带隙宽度/滋m4.03.53.02.52.01.51.00.51.81.71.61.51.41.31.2长波边界带隙宽度短波边界0.30.40.50.60.70.80.9空气填充率图5 晶格周期一定,带隙随空气填充率变化曲线当填充率较小时,布拉格散射(B r a g g S c a t t e r -i n g)起主导作用;而当填充率比较大时,米散射(M i e S c a t t e r i n g)起主导作用,从而使光子带隙宽度呈先增大后减小的趋势[13];当空气填充率为0.5时,对应位置的带隙宽度达到最大㊂带隙边界波长随填充率增加而增大㊂据此,在设计温度传感器光纤结构参数时,应根据所选择的检测机制(边界检测或宽度检测)来确定空气填充率的大小,以获得更高的温度灵敏度:若选择带隙边界波长检测机制,可考虑选取大空气填充率(0.8~0.9)的P C F ;若选择带隙宽度检测机制,则应选取空气填充率为0.5左右的P C F ㊂接着考虑晶格周期对温度传感特性的影响㊂在热敏液体只填充第一层的前提下,取P C F 的空气填充率为0.5,晶格周期为3~9μm ,仿真得到25ħ时带隙特性随晶格周期的变化曲线如图6所示㊂带隙边界波长/滋m12345带隙宽度/滋m1233456789晶格周期/滋m长波边界短波边界带隙宽度图6 空气填充率一定,带隙随晶格周期变化曲线可以发现,带隙的边界波长和宽度均随晶格周期的增大呈线性增长㊂这是由于其他因素不变使得P C F 中传播模式的归一化频率V =2πΛ/λ未有变化,推出截止带隙边界波长λm =2πΛ/V 只与晶格周期Λ有关,因此Λ的线性增大,使其带隙边界波长λ也线性增长,相应的带隙宽度也就线性增宽了㊂据此,选择晶格周期较大的P C F 时,其温度传感特性也就相对更好㊂但也要考虑制备和与传统光纤熔接的问题,因此晶格周期不可过大,防止包层厚度过大㊂以本方案的5层空气孔结构为例,晶格周期选取8~9μm 为宜㊂在带隙边界波长检测机制下,选取空气填充率d /Λ=0.9,晶格周期Λ=9μm ,热敏液体选择仅填充第一层㊂此时,温度灵敏度达到了22.07n m /ħ,如图7所示㊂带隙边界波长/滋m5.25.45.65.86.06.26.46.66.82030406080温度/℃5070y =7.06071-0.02207x图7 优化方案带隙边界波长随温度变化的曲线在带隙宽度检测机制下,选取d /Λ=0.5,Λ=9μm ,热敏液体选择仅填充第一层㊂此时,温度灵敏度达到了7.01n m/ħ,如图8所示㊂75尤承杰等: 选择性填充光子晶体光纤的高灵敏温度传感带隙宽度/滋m2.62.42.22030406080温度/℃5070y =2.78859-0.00701x图8 优化方案带隙宽度随温度变化的曲线3 结束语采用全矢量平面波展开法对液体选择性填充P C F 的温度传感特性进行了计算和分析㊂当热敏液体在包层空气孔中选择不同位置和结构填充时,光纤为空气孔包层结构导致的全内反射型和高折射率液体包层结构导致的带隙导引型的混合作用;发现仅填充内层空气柱时,随温度改变的热敏液体折射率对带隙漂移造成的变化率最大;晶格周期一定时,随着空气填充率的增大,带隙出现红移,带隙宽度先增大然后逐渐变小;空气填充率一定时,带隙的边界和宽度基本上随晶格周期的增大呈线性增长㊂最终通过仿真结果得出,在带隙边界波长检测和带隙宽度检测两种检测机制下,温度灵敏度可分别达到22.07和7.01n m /ħ,前者有较高的灵敏度,而后者一定程度上可以消除无关因素的干扰,减小误差㊂本文的工作将有利于选择性填充P C F 及传感技术的进一步发展和研究㊂参考文献:[1] K n i g h t JC .P h o t o n i c c r ys t a l f i b r e s [J ].N a t u r e ,2003,424:847-851.[2] C h r i s t o s M a r k o s.P h o t o n i c -c r y s t a l f i b r e :M a p p i n g t h e s t r u c t u r e [J ].N a t u r eP h o t o n i c s ,2015,9(1):9-11.[3] Y uY o n g q i n ,L iX u e j i n ,H o n g X u e m i n g,e t a l .S o m e f e a t u r e s o f t h e p h o t o n i c c r y s t a l f i b e r t e m p e r a t u r e s e n -s o rw i t h l i q u i d e t h a n o l f i l l i n g [J ].O p t E x p r e s s ,2009,18(15):15383-15388.[4] P e n g 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.85光通信研究2016年 第1期 总第193期。

选择性填充光子晶体光纤的高灵敏温度传感尤承杰;施伟华【摘要】For the development of a temperature sensor with still higher sensitivity,this paper proposes to selectively fill ther-mosensitive fluid into the PCF by using the photonic bandgap effect so as to achieve highly sensitive temperature sensing.It calculates the bandgap using the full vector plane wave expansion method and the bandgap and its width drift regularly with temperature.When the thermosensitive fluid is selectively filled in the different locations and structures of the cladding air holes it is found that when only the inner air holes are filled,the variation caused by the bandgap with temperature drift is the maximum;When the 1 st-layer air holes of the cladding is filled with the fluid,the lattice periodΛ = 9 μm and air-filling ratio are repectively selected as d/Λ = 0.9 and d/Λ = 0.5,the temperature sensitivity in bandgap boundary wavelength detection and band-gap width detection can be 22.07 and 7.01 nm/℃ respectively,which shows the advantages in high accuracy and simple system structure.%为了研制具有更高灵敏特性的温度传感器,文章提出利用光子带隙效应,在 PCF(光子晶体光纤)中选择性填充热敏液体实现高灵敏温度传感。