引用本文:
马小翠,钱诗婷,柳淘,等. 双芯光子晶体光纤横向压力特性分析[J]. 光通信技术,2020,44(8):18-21.
马小翠1,钱诗婷1,柳 淘1,张克非2*
(1.西南科技大学 理学院,四川 绵阳 621010;2. 西南科技大学 计算机科学与技术学院,四川 绵阳 621010)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:传统光纤式压力传感装置由于结构及材料的限制,其灵敏度难以进一步提升。基于马赫-曾德尔干涉传感原理,设计一种掺杂型双芯光子晶体光纤(DC-PCF)横向压力传感结构。根据不同掺杂材料和光纤截面结构参数对压敏特性的影响,分析压力灵敏度与光纤结构关系,综合模场面积,获得高压力灵敏度DC-PCF结构。仿真结果表明:当入射传输波长 为1550 nm、双芯光子晶体长度为6 cm时,横向压力下X偏振压力灵敏度可达37.56 nm/MPa,Y偏振压力灵敏度可达35.27 nm/MPa。相对传统光子晶体横向压力传感器,该传感结构的压力灵敏度提高了近60倍。
关键词:双芯光子晶体光纤;横向应力;聚甲基丙烯酸甲酯;有效折射率差
中图分类号:TN253 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)08-0018-04
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.08.005
0 引言
在大型复杂桥梁、隧道和边坡等监测中,光纤压力传感器以其耐腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点,成为该领域广泛应用的传感装置[1-3]。但传统的光纤传感器受到结构和材料的限制,阻碍了传感网探测能力的进一步提升[4-5]。
光子晶体光纤[6-8]具有灵活的设计结构特性,光纤包层与纤芯易获得高折射率差。双芯光子晶体光纤(DC-PCF)除了具有光子晶体光纤优异特点之外,凭借其具有2个导光纤芯的特性,能产生双芯耦合效应和干涉效应,实现了单根光纤2种模式的传输与干涉,成为光子晶体光纤传感领域的一个研究热点。Annesha Maity等人[9]在双芯光纤中写入双芯长周期光栅,实现了高灵敏的光栅传感器设计。何惠梅等人[10]设计的复合空气孔结构DC-PCF的压力敏感度为
50.6 pm/MPa。吕健滔等人[11]基于表面等离子体共振 效应,设计了一种以DC-PCF为光波导的横向应力传 感器,2个偏振状态的横向应力灵敏度分别达到
-6.07 nm/N与4.07 nm/N。Lou J等人[12]将液体分析物填充到中心大气孔中,建立了高灵敏度圆双核光子晶体光纤传感器,最大灵敏度可达22071 nm/RIU。综上所述,国内外在DC-PCF压力传感方面已取得实质性进展,但仍存在压力灵敏度不够高,对其性能的研究不够充分,导致在实际应用中具有局限性。
针对上述情况,本文提出在DC-PCF中设计包层周期性排列六边形空气孔,用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)填充DC-PCF中的一芯,将掺杂纤芯环绕一圈小孔径空气孔,有效增加双芯有效折射率差,提高对单位横向应力的波长响应,并综合模场面积,实现高灵敏度横向压力传感。
3 结束语
本文利用掺杂材料和双芯光子晶体横截面结构参数影响双芯有效折射率差,进而影响压敏特性的机理基础,提出了一种高灵敏掺杂型DC-PCF横向压力传感结构。通过在DC-PCF中单芯掺压敏体,改变掺杂直径d1、空气孔直径d2和空气孔间距d3,综合模场面积考虑,得到X偏振压力灵敏度为37.56 nm/MPa、Y偏振压力灵敏度为35.27 nm/MPa,较传统光子晶体横向压力传感器,灵敏度提高了近60倍,可用于桥梁、大坝及山体滑坡等安全性检测领域。