[发明专利]基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微结构光纤传感器，特别是基于功能材料选择性填充的、具有混合传导机制的、温度灵敏度可达35nm/℃(折射率灵敏度>85,995nm/RIU)以上的微结构光纤干涉型传感器。

背景技术

微结构光纤（Microstructure Optical Fiber），又称光子晶体光纤(Photonic Crystal fiber)或多孔光纤(Holey fiber)，是近年来迅速发展起来的一种具有较高科研价值和广阔市场应用前景的新型光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔。微结构光纤根据导光机理的不同可分为两种：折射率引导型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与传统光纤的导光机制类似，纤芯折射率高于周围由空气孔组成的包层有效折射率，光被约束在纤芯中传输；而光子带隙型微结构光纤的包层具有周期性的折射率分布，通过光子带隙效应将光限制在低折射率的纤芯缺陷中传导。

微结构光纤具有特殊的传导机制和灵活设计的结构，表现出许多普通光纤所不具备的的优异特性，如无截止单模特性、高双折射特性、奇特的多芯和多模耦合特性等。特别是纤芯及包层具有空气孔分布的微结构光纤，为填充各种材料进入微结构光纤提供了空间和条件，这一特点可以极大地拓宽微结构光纤的应用领域，设计并研制出更多的新型可调谐及传感光纤器件。基于高双折射光纤的Sagnac干涉仪（或高双折射光纤环形镜）由于具有结构简单、易于实现等优点，在光传感和光通信领域具有重要的应用。但基于传统高双折射（保偏）光纤的干涉仪的温度传感灵敏度一般小于3nm/℃，且所用光纤一般较长。微结构光纤由于结构设计的灵活性，其双折射可比普通光纤高出1~2个数量级，能够实现结构紧凑的传感器、滤波器及偏振器件等。但由于微结构光纤一般是由单一的纯二氧化硅材料组成，对温度不敏感，不能作为温度传感器使用。功能材料填充的高双折射微结构光纤改变了这种状况，利用功能材料的折射率改变对微结构光纤传导机制及特性的影响，可实现高灵敏度的折射率、温度等多种参量的传感测量。2002年，C.Kerbage等人在“Numerical analysis and experimental design of tunable birefringence in microstructured optical fiber”,Optics Express,10,247-255(2002)中对一种柚子型微结构光纤包层的某个或某几个空气孔填充聚合物温敏性材料，实现了双折射可调的微结构光纤。2011年，W.Qian等人在“High-sensitivity temperature sensor based on an alcohol-filled photonic crystal fiber loop mirror”,Opt.Lett.36(9),1548(2011)中报道了将酒精填充入一种折射率引导型高双折射微结构光纤的所有包层空气孔中，并作为温度传感头，然后将其与3dB耦合器相连形成Sagnac干涉仪，实现了高达6.6nm/℃的高灵敏度温度传感测量。但上述报道的工作中，功能材料的引入并没有改变微结构光纤的传导机制，材料填充前后均为折射率引导型光纤。光子带隙光纤的双折射特性呈现了与折射率引导型微结构光纤不同的优异特性。2009年，Gilhwan Kim等人在“Strain and temperature sensitivities of an elliptical hollow-core photonic bandgap fiber based on Sagnac interferometer”,OPTICS EXPRESS 17,2481-2486(2009)中将具有双折射特性的空芯光子带隙光纤接入Sagnac光纤环中，研究了带隙中干涉条纹与群双折射的关系，由于带隙边缘的双折射高于带隙中间，其干涉条纹呈现出对波长的强烈依赖，其干涉条纹对温度和应力的敏感特性存在巨大差异，基于该特性实现了温度（敏感系数为：3.97pm/℃）和应力的双参数测量。2012年,XB zheng等人在“Transmission and temperature sensing characteristics of a selectively liquid-filled photonic-bandgap-fiber-based Sagnac interferometer”中报道了通过将一种高双折射微结构光纤包层中的所有小空气孔填充入高折射率的温敏材料，使该光纤的传导机制由折射率引导型变成了光子带隙型，由该光纤组成的Sagnac干涉仪的传输光谱特性表现出强烈的波长依赖性，不同波长具有不同的温度传感特性，可实现的最大温度敏感系数接近~1nm/℃。但据我们了解，在公知的基于高双折射微结构光纤的干涉型可调谐及传感器件中，所实现的最高调谐速度或传感灵敏度均低于10nm/℃，且其传导机制为光子带隙型和折射率引导型中的一种。目前尚无基于功能材料选择性填充的、具有混合传导机制的、微结构光纤干涉型的超高灵敏度传感器（温敏系数>10nm/℃）的报道。