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1、Temperature Sensitivity of a Two-Mode PhotonicCrystal Fiber Interferometric Sensor翻译双孔光子晶体光纤光学温度传感器摘要：双孔光子晶体光纤光学温度传感器的理论和实验探究。相比之下，传统的 椭圆芯遥感光纤传感器，光子晶体光纤光学温度传感器对波长的运动有着非单调 的依赖，波长是0.083, 0.147, 0.136弧度/米，速度分别为543, 975和1310纳 米。关键词，光纤传感器，光子晶体光纤（PCF），对温度的敏感性，双孔（TM） 纤维。一简介双孔光纤传感器已经在光纤感应和光纤设备上又很多应用了。应变和温度传
2、感 器1,声光频率开关2可调谐滤波器3,以及一个外接式多路（复用）器4已经 在传统的圆形和椭圆芯遥感光纤上得以展示。近年来，已有越来越多的人对光子 晶体光纤（PCF）感兴趣，光子晶体光纤（PCF）由一个被中心为气孔的周期性 晶格包围的硅芯组成。由于制造过程的高度灵活性，PCF可以实现双折射，其 幅度咼于传统的咼幅双折射（HB）纤维。咼幅双折射光子晶体光纤（HB PCFs） 根据不同的气孔直径沿着两个正交的轴5 6,或沿不对称的中心7制造。最 近，我们发现有适当的结构参数的高幅双折射光子晶体光纤（HB PCFs）支持双孔, 例如低压和低压LP even,从500到2000纳米范围8 9。模型的强
3、度模式和偏 振主轴的明确界定，不沿光纤长度或环境干扰而有不同。这些特性再加上光子晶 体光纤的独特特性是实现在长距离的波长下也能稳定运行的遥感传感器的理想 条件。有着不同结构参数的遥感传感器已经被运用于调谐传感光纤梳状过滤器10和用于流体静力学压力和应变测量的测偏振感应器11。2006年5月30日收到手稿，2006年8月4日修订。这项工作由中国香港特别 行政区的研究资助委员会下PolyU聚尿苷酸5176/05E项目.资助。 作者：Hung Hom, Kowloon, Hong Kong香港九龙红磡香港理工大学机电工程学院,（邮箱:eejjupolyu.edu.hk）。数字对象标识符 10.110
4、9/LPT.2006.883889图1。（一）高幅双折射光子晶体光纤的SEM照片（二）远场强度分布（ 1310 nm的遥感传感器的输出）。L-eikb Leets哎 F ；L:Oven卜 :：(】Rt C-2IIHIETH图2。实验装置。二、温度敏感性的测量高幅双折射光子晶体光纤在这工作的使用（图1）和9是相同的，由光子学制造。 光纤的参数由扫描电子显微镜决定，如下：节距米，小孔的直径米，大孔的直径 米。这种光子晶体纤维PCF原先测试是用来支持二维模型，例如从650 nm到 1.3米大小的低压和LP。在目前的工作中，我们发现遥感范围可以延伸到更短 的波长543纳米。在波长为1550纳米时，高幅
5、双折射光子晶体光纤只支持只有 两个或正交偏振的基本模式。用于测量一定的温度敏感性的实验装置如图2。偏 光镜被放置在输入处，允许发起一个线性极到光子晶体纤维的其中一个偏振轴。 光子晶体光纤（1.8米）的一段放在烤箱内加热。一个去掉透镜的红外线相机被 放置在输出口用于监测远场强度分布。图1 （b）显示了当这两孔由于放置在输 出口的弯管，靠近相同的距离，其中一个远场强度分布的记录。遥感传感器的输 出就是某一个圆形的平均强度，例如如图1 （b）所示的矩形区域。两个极化都进行了测量。图3显示因为烤箱的温度，遥感传感器的输出强度（极 化）。一个完整的周期，相应的强度变化与LP01到LP11之间的2n的变化
6、相 对应。訂 IIIIIIIIII*20 3D 40 5D 60 TO 80901D0110120Temperature i|C)9076S432TOHr黑 皂E4J电一Fig. J. Experimental reulli shjowin th亡 periodic: iratensity arLo.ljDn with tern- pcralunz i.A = 1310 urn.-pnlarization)LTABLE ITEMPERATURE SEN3ITI%1T (rad./DC m)3L-975nmX- IllOmin昭丽 cm:0.1470,136fl.O85fl.151温度敏感性即双
7、孔的每单位长度光纤的不同阶段丄的变化率的公式是L是烤箱内的光纤长度。计算出的温度敏感性在表格1中列出。从表格1中可看 出，高幅双折射光子晶体光纤的温度敏感度和x-和y-极化稍有不同。比起传统 的椭圆芯遥感光纤，值基本上较小。三、温度敏感性理论温度敏感性可写为丄里丄竺巴迪丄迟lnt l ur _ &r 门 lut where 尸 is theconstant differenc已 between lheLP()i und LPn (even) mndeji. As Ltie PCF a single material fiber, the thermal expansion cucFticicn
8、t Ct and thcrnfiooptLe ea- efiicient K. should be the same for both the core and eadding; which are respectively defined as其中“是LP01和LP11之间的持久变量。由于光子晶体纤维是由单一材料做 的，纤芯和包层的热膨胀系数a和和热光系数k应该是相同的，分别表示为1 DL1 血W页讪 f页其中n是光子晶体纤维材料的这指数。熔化的硅来说，热膨胀系数和和热光系 数分别是=- 1|_ . 1_：Fiig. 4.consiani dijlerencc A i at 131() nm
9、 as a fujK-tion nf temperature- Circle and cross liiue re-present ihc results wilh and wiituoul cnnsidcrinj! traiiAverse thermal cxpaiUbiinn_0.S O.B 0.7 O.S 0.911_1Wavelenglli (gm)x-pdsrcatjcri -v-polsnzetjon-0.22Fig. 5. Cktilaicd lemperalure sensitivities as funciiam of 即耐亡length. Solid and dolled
10、lines enrrespond io IheQretLckl resull5 For the ,r- ond y-polarizalion. Cross and circle pn-inis enmespond io 亡 x peri mental daij. erf .r and y-poEarization. and dashed lio corres-pimd to cunc-rilting Dcmul*.通过应用超级细胞的方法12，我们可以计算出在不同温度下两种模式的传播常 数。虽然温度引起的横截面的变化直观来看很小模拟结果显示如图，图4说明，其影响力作用于传播常数也应该考虑进去。然
11、而，在这两种情况下，在温度的线性变化中发现的不同的传播常数丄：差传播 常数随温度的线性，可以通过计算曲线的坡度，很方便地用于估算（2）的第一 部分图5显示了理论上计算出的温度灵敏度为波长的函数。不同的是椭圆形核心遥感 纤维1，其温度敏感性有单一的波长依赖性，遥感光纤晶体纤维的敏感度呈现 负相关，和波长呈抛物线关系。理论敏感度和实验计算出的趋势相同。测量和计 算值之间的差异可归结为理想化的纤维结构和残余的热压力在理论模型中没有 考虑进去。真正的光子晶体纤维PCF具有非圆形的孔和不统一的孔的分布（图 1）,这将导致理想模型和实验结果的存在差异。这种光子晶体纤维的不对称属 性，意味着热应力在纤维管道
12、间是不统一的，这就很难定量它在光子晶体纤维的 理论模型的实际作用。为了了解温度敏感性在波长运动的非单调的依赖必须进行进一步的探究。首先， 模拟表明，整个的温度敏感性受热光影响，这至少是一个量级等级高于纤维伸长 度；L 和横向交叉度 I N-.的影响。因此，我们忽视了后两个因素,而把注意力集中在热光效应对传播常数的影响。现在这敏感度可写为substituting bR to (4), where andnaie the effecuve index ofthrLP()1 and LPU (even) mode, respectively. The temperatuiie sensilivity
13、 can be written 3.s迪二迪.迦迪 山- 门 门*替代（4），和分别是LP01孔和LP11孔的有效系数。那么温度敏感度可写为犁时血和碍伽分别是LP01孔和LP11孔的有效系数的变化速率，与图6展 示的硅的折射率对应。LP01孑朋心与波长运动呈线性关系地方和甚至是LP和LP的有效指数的变化率相对于模式。然而，当波长接近剪 短的波长时，LP11孑飞用心 与波长运动呈抛物线状关系。因此， 岬妙和碍伽的差别。以及整个温度敏感性由（5）决定，对波长有非单调 依赖。这和理论以及图5展示的实验结果一致。四。结论测量好一个遥感传感器的温度敏感性后，结果表明它在波长运动上的非单调依赖 性。我们提
14、出的非单调波长的反应的理论分析。该敏感性与实验测量所得的趋势 一致结果。在这封信中提到的遥感高幅双折射光子晶体光纤的独特温度敏感性和9中展示的应变敏感性可用于执行温度不敏感的应变测量13。参考文献1 S. Y. Huang, J. N. Blake, 和 B. Y. Kim, “对高度椭圆的双孔纤维的传播模式的干扰 ” J. Lightw.Technol.,第 23 到 33 页，第 8 卷，第 1 行，1990 年 1 月2 B. Y. Kim, J. N. Blake, H. E. Engan,和 H. J. Shaw,“全光纤声光频率转换器，” Opt. Lett., 第 11 卷，38
15、9 391 页,1986.3 D. Ostling 和 H. E. Engan, “双孔纤维的窄带声光器,” Opt. Lett.,第 20 卷，1247 -1249 页, 1995.4 H. S. Park, S. H. Yun, I. K. Hwang, S. B. Lee, 和 B. Y. Kim, “All-fiber add-drop wavelength-division multiplexer based on intermodal coupling,多式联运基础上的全光纤增 减波长复用器” IEEE Photon. Technol. Lett.,第 13 卷 第 5 行，460 -462 页，2001 年 5 月. A. Ortigosa-Blanch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, J. Arriaga, B. J.Mangan, T. A. Birks,和 P. St. J. Russell,高双折射晶体光纤，” Opt. Lett.,第 25 卷 1325 -1327 页,2000年9月. K
