光子晶體光纖液壓傳感技術研究進展

劉華北, 周雁, 邵杰, 管祖光, 陳達如?

(1 浙江師范大學杭州高等研究院, 浙江 杭州 311200;2 浙江師范大學信息光學研究所, 浙江 金華 321004)

0 引 言

光纖傳感器因具有結構緊湊、靈敏度高、防電磁干擾等優點,受到各行業的廣泛關注[1]。特別是在一些惡劣工作環境中,如高溫、高濕度、電磁輻射等,光纖傳感器相對于傳統的電氣類傳感器表現出了更加良好的穩定性[2]。此外光纖傳感器還適用于爆炸性或腐蝕性環境中,如地下煤礦,海上油井等[3]。光纖傳感器的出現為這些行業從惡劣的工作環境中獲取傳感信息提供了新的機會。

光纖液壓傳感器在各工業領域具有重要的應用價值。光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術是最早發展的較為成熟、可靠的光纖傳感技術,通常用于壓力、溫度等物理量的測量[4,5],其低傳輸損耗和防電磁干擾的特性可以使光纖液壓傳感器進行遠距離測量,然而單模光纖FBG 的液壓傳感器的靈敏度僅為3.04 pm/MPa 左右[6],不能滿足很多實際應用的需求。為進一步提升探測靈敏度,光纖干涉技術被應用到液壓傳感中,如利用Fabry-P′erot(FP)干涉或Mach-Zehnder(MZ)干涉與單模光纖相結合構造出高靈敏的液壓傳感器[1]。然而由于單模光纖結構簡單,限制了液壓探測的靈敏度和分辨率。新型特種光纖的出現為得到更高靈敏度提供了新的窗口。光子晶體光纖(PCF)具有特殊的導光機理,其橫截面具有高度靈活的設計空間,因此有望獲得更高的液壓敏感度[7]。同時PCF 液壓傳感器繼承了傳統的測壓辦法,如光柵法和干涉法,其中光柵型液壓傳感器通過光柵反射波長的漂移反映出壓力的變化,PCF 具有更高的軸向應變,因此對液壓變化更加敏感。已報道的PCF 光柵液壓傳感的靈敏度是單模光纖FBG 液壓傳感器的十倍[8]。干涉型PCF 傳感器通常使用高雙折射PCF(HB-PCF),通過改變空氣小孔的排列可以實現高雙折射光纖。干涉型光纖液壓傳感器結構簡單,通常利用一個Sagnac 干涉結構就可以得到很高的液壓靈敏度。此外在HB-PCF 中,由于兩種偏振模式的存在,光柵會出現兩個反射峰。因此,可以使用兩個峰值的漂移量來同時測量壓力和溫度響應[9]。PCF 具有較高的雙折射效應,利用PCF 雙折射等特性可以開發出具有高靈敏度的液壓傳感器[10]。

本文回顧了四種典型的PCF 液壓傳感技術,介紹了相關的工作原理,并對其主要性能進行了比較和分析,最后總結了PCF 液壓傳感器的研究現狀、發展特點及發展趨勢。

1 PCF 及其液壓傳感原理

PCF 也可稱為微結構光纖,其主要特征是在光纖橫截面上規則地排列著各種氣孔,即在其橫截面上具有復雜的折射率分布。如圖1(a)所示,傳統的單模光纖(SMF)由纖芯和包層組成,纖芯具有更高的折射率,當光線滿足全內反射條件時即可在纖芯內傳播[11];如圖1(b)所示,PCF 一般由單一的二氧化硅材料組成,光纖截面上規則排列的氣孔提供了一種類似于階躍折射率光纖的折射率分布,其導光機理為改進的全內反射;另外PCF 還可以是空芯的,如圖1(c)所示,空芯PCF 的纖芯折射率低于包層,但當氣孔間距和氣孔直徑滿足一定條件時,包層可以對一定波長的光形成光子能隙,光就會被束縛在空芯中,這種機理被稱為光子能隙導光機理[12]。

圖1 (a)單模光纖;(b)PCF;(c)空芯PCFFig.1 (a)Single mode fiber;(b)Photonic crystal fiber;(c)Hollow-core photonic crystal fiber

由于PCF 結構的特殊性和設計的靈活性,使其具有許多獨特的物理性質:可控的非線性、無盡單模特性、可調節的奇異色散、低彎曲損耗、大模場等[11,12]。同單模光纖類似,PCF 也可通過刻寫光纖布拉格光柵或構建光學干涉實現液壓傳感[13]。如利用PCF 的高雙折射特性設計出的雙芯光子晶體,可應用于Mach-Zehnder 干涉的液體靜壓傳感器[14]。PCF 由于引入了靈活分布的氣孔,很容易引起雙折射[15,16]。巧妙地設計PCF 結構,可以盡可能地提高PCF 傳感器的靈敏度。

隨著光纖制作工藝的不斷提升[17],各種光子晶體傳感技術逐漸涌現,研究人員充分利用光子晶體的特性研制出了超高靈敏度的液壓傳感器[18],其中PCF 的雙折射效應在液壓傳感方面應用最為廣泛。光纖的相位雙折射和群模態雙折射可表示為[19]

式中:nx、ny分別是x、y方向兩個偏振模態的有效折射率,λ 是光波長。由于光彈效應[20],光纖的折射率會隨外界液壓的變化而變化,施加液壓后的光纖折射率為

式中:σx、σy、σz分別為x、y、z三個不同方向上的應力分量,C1= 6.5×10?13m2/N、C2= 4.2×10?12m2/N 為純二氧化硅的應力-光學系數。采用寬帶光源(BBS)作為輸入光,將保偏PCF 置于液壓變化的環境中,通過耦合器和光譜分析儀(OSA)會發現干涉峰的偏移,其壓強靈敏度定義為

基于保偏PCF 的傳感器可同時進行壓力和溫度的雙參數測量[9,21]。由于PCF 具有非對稱孔結構,快軸和慢軸對環境壓力的響應不同,且一般慢軸具有較高的靈敏度。然而,由于兩個軸表現出相似的熱膨脹,導致兩種極化對溫度的響應差異非常小。各峰的波長漂移量可以體現出溫度和壓力的變化,即

式中Sx,p、Sy,p、Sx,T、Sy,T為x方向和y方向兩個偏振模態的液壓和溫度靈敏度。

2 PCF 液壓傳感技術

2.1 雙折射PCF 液壓傳感技術

PCF 的高雙折射特性提供了構建Sagnac 干涉液壓傳感器的理想條件[22]。在圖2 中,將保偏PCF 拼接到一個3 dB 耦合器環路中構成干涉回路;耦合器將輸入的BBS 分成兩個方向相反的光束,通過OSA在耦合器的另一端檢測干涉信號。在靜液壓下,光纖因應力而產生的形變相對較小,干涉譜相位變化可認為主要源于雙折射變化。液壓靈敏度由雙折射變化決定,通過優化氣孔排列可以得到很高的雙折射,進而提高液壓靈敏度,這種基于PCF 的Sagnac 干涉儀(SI)傳感器具有超高的靈敏度。2010 年,F′avero等[20]設計了一種高雙折射PCF,并實驗獲得了3.4 nm/MPa 的液壓靈敏度和0.29 pm/?C 的溫度靈敏度,證明了PCF 溫度敏感性低于壓力敏感性。雖然該傳感器僅測試了2.5 MPa 和100?C,但其工作范圍將主要受到封裝的密封能力的限制,纖維本身仍能夠承受更高的壓力和溫度。2014 年,Liu 等[23]提出一種基于高雙折射六孔懸浮纖芯光纖(HB-SCF)的液壓傳感器,其在0 ～20 Mpa 液壓范圍內靈敏度可到達2816 pm/MPa。由于PCF 是由純熔融二氧化硅制作,與標準的單模光纖FBG 溫度傳感(溫度靈敏度為10 pm/?C)相比,對50 ～350?C 的溫度變化范圍并不靈敏,此時其溫度靈敏度僅有1 pm/?C。2017 年,Ayyanar 等[24]提出了一種橢圓纖芯的PCF,其雙折射率高達10?2數量級,并得到了87.5 pm/MPa 的靈敏度。2018 年,Liu 等[25]又提出一種基于雙半圓孔PCF 的SI 液壓傳感器,在0 ～3000 kPa 的壓強下具有45000 ～50000 pm/MPa 的超高靈敏度。

圖2 (a)基于PCF 的Sagnac 干涉儀;(b)保偏PCFFig.2 (a)Sagnac interformeter based on PCF;(b)Polarization-maintaining PCF

2.2 PCF 光柵液壓傳感技術

光纖光柵技術普遍用于液壓傳感技術領域。采用高功率的紫外激光器可以在PCF 上刻蝕出高質量的布拉格光柵(FBG)[26]。布拉格反射波長由布拉格條件λB=2neffΛ 決定,其中neff為基模的有效折射率,Λ 為光柵周期。如圖3,將PCF 置于一個充滿液體的靜壓系統中,光纖會受到徑向應力和軸向應力[27]。徑向應力導致正應變,而軸向應力導致負應變,PCF 引入的空氣孔使得二氧化硅面積相對減少,因此增加了軸向應變,具有更高的壓敏特性。傳統的光纖FBG 傳感器通常被認為不適合高溫工作。雖然光纖光柵壓力傳感器已采用紫外激光書寫,但由于紫外誘導折射率變化的熱穩定性較差,其工作溫度限制在300?C 以下[28],且普通單模光纖的液壓敏感度約為?3 pm/MPa。2010 年,Jewart 等[29]采用超快激光在雙孔光纖中寫入了耐高溫型光柵,并研究了在0.1～13.8 MPa 范圍內光纖光柵的共振波長漂移和峰值分裂隨外界液壓的變化規律,光柵壓力傳感器在800?C 以上顯示高穩定性。同年,Wu 等[26]報道了大空氣孔的柚子型PCF,由于大幅度增加了空氣孔的占比,使得軸向應變的壓敏性占據主導地位,靈敏度相對于單模光纖提高了4 倍多,在0～25 Mpa 范圍內靈敏度為?12.86 pm/MPa,并且實驗中還發現光纖頭部的壓力變化對光纖光柵的壓敏性沒有影響。2013 年,Liu 等[9]利用保偏PCF,通過檢測不同偏振光的峰值漂移實現了同時對液壓和溫度進行測量。在液壓0～40 MPa 的范圍內,快軸和慢軸的壓力靈敏度分別為?1.96 pm/MPa和?5.13 pm/MPa;在20～300?C 溫度范圍內,快軸和慢軸表現出幾乎一致的溫度靈敏性(約為12 pm/?C)。2016 年,Lin 等[30]設計了一種空氣占比更大的懸浮單環PCF,進一步提高了靈敏度,在0～?40 Mpa 范圍內達到?18.92 pm/MPa。2017 年,Huang 等[31]提出了一種穩定飛秒脈沖寬度的蝶形微結構光纖內切光柵方法,用于超高壓/超高溫環境下的壓力監測,并進一步研究了PCF-FBG 傳感器的高溫穩定性。實驗測試了幾種熱處理方法,以穩定傳感器的工作溫度范圍;此外,還研究了熱瞬變對壓力讀數的影響,給出了在緩慢和快速溫度變化環境下的壓力系數。

圖3 FBG-PCF 受到應力發生應變Fig.3 The strain of FBG-PCF under pressure

2.3 FP 腔PCF 液壓傳感技術

鑒于以上所述原理,很容易想到可以將法布里-珀羅(FP)腔與PCF 相結合。FP 腔的制作方式多種多樣,可以在光纖端面涂敷反射層[32],或者直接做一個空氣腔[33]。如圖4(b)所示,將纖芯經摻雜處理的SMF 熔接到PCF 的兩端也可構建成FP 腔。

圖4 (a)基于PCF 的FP 干涉儀;(b)FP 腔Fig.4 (a)PCF-based FP interferometer;(b)FP cavity

當將FP 腔置于高壓環境中,由于光彈效應,PCF 的有效折射率會發生改變。另外,PCF 的長度也會發生改變。FP 腔的液壓靈敏度不依賴光纖長度,因此可以設計的十分緊湊。早在2007 年,Young 等[34]就介紹了使用PCF 錯位拼接方法實現應變和溫度的測量。由于PCF 是由純熔融二氧化硅組成,相對于傳統光纖,實驗展現出更好的高溫穩定性。2011 年,Wu 等[35]將較短的PCF 與標準單模光纖拼接而制成光纖FP 干涉儀,傳感器在高溫高壓環境下的液壓靈敏度為?5.57 pm/MPa。該傳感器制作簡單、成本低、體積緊湊,更適合應用于高壓和高溫的實際環境中。

2.4 雙芯PCF 液壓傳感技術

由于PCF 具有靈活的設計空間, 高雙折射的雙芯PCF(DC-PCF) 逐漸被提出并應用到液壓傳感中[36?40]。如圖5 所示,Chen 等[37]設計了一種用于液壓傳感的DC-PCF。圖5(a)所示的光纖橫截面中,兩個實心纖芯被一個空氣孔隔開,在PCF 內部形成兩個獨立的波導,并伴隨著模式耦合;圖5(c)分別是DC-PCF 的x方向偏振的偶模和奇模。當工作波長為1.5μm,方向偏振偶模和奇模的有效折射率分別為ne=1.398601 和no=1.398298。根據模式耦合理論[38],耦合長度為Lc=λ/(2|ne?no|)=2.55 mm,即光能量沿DC-PCF 經過2.55 mm 后將從其中一纖芯轉換到另一纖芯,其傳輸能量可以表示為

圖5 (a)雙芯PCF(DC-PCF)[37];(b)新型側孔DC-PCF[39];(c)DC-PCF X 方向偏振的偶模和奇模[37]Fig.5 (a)Dual-core photonic crystal fiber(DC-PCF)[37];(b)New type of side hole DC-PCF [39];(c)X-polarized even mode and odd mode of DC-PCF [37]

如圖6(a),將2 cm 的DC-PCF 兩端與單模光纖熔接在一起,光纖需要適度錯位以保證熔接時DC-PCF的一個纖芯和單模光纖的纖芯對接。當寬帶光源注入到DC-PCF 并從另外一端的單模光纖輸出時,其光譜分布服從(7)式。當DC-PCF 受到的靜水壓強改變時,光彈性效應將導致熔融石英折射率變化,進而導致偶模和奇模的有效折射率改變。將傳感器置于最大壓力為45 MPa 的靜液壓力容器中,所施加的液壓由高精度壓力表測量。使用中心波長為1.55μm 的寬帶光源,并利用分辨率為0.02 nm 的光譜分析儀檢測透射光譜。每次增加5 MPa 液壓,記錄0～45 MPa 的靜壓干涉光譜。圖6(b)為某一干涉峰與靜液壓強的關系函數,其靈敏度為?54.06 pm/MPa,線性擬合良好(R2=0.99836),并擁有很高的重復性。為了進一步提高液壓靈敏度,Hu等[39]設計出新型側孔DC-PCF,其光纖橫截面如圖5(b)所示,兩個實心光纖芯被幾個小氣孔和兩個大氣孔包圍,兩纖芯被一個小氣孔隔開;兩個大的空氣孔稱為側孔,本質上提供了一個內置的轉換機制,以增強液壓從而誘導折射率變化;通過不斷優化結構,已獲得的高壓靈敏度可達110.8 pm/MPa。此外DC-PCF 也可用于壓力和溫度的同時測量。2015 年,Wu 等[21]設計了一種溫度交叉靈敏度較小的DC-PCF 壓力傳感器,其壓力靈敏度分別為?21.7 pm/MPa 和18.0 pm/MPa,溫度靈敏度分別為11.6 pm/?C 和10.7 pm/?C。同年Revathi 等[40]進一步優化設計了DC-PCF,提高了靈敏度,計算得到的壓力靈敏度為?10.5 nm/MPa,溫度靈敏度為20 pm/?C。

靈敏度是評價液壓傳感器的重要參數之一。相較于單模光纖,PCF 因其結構不對稱性而具有更高的液壓敏感性。此外PCF 一般只有熔融二氧化硅單一材料構成,對溫度的穩定性較高。同時基于PCF 的液壓傳感器因采用的原理不同,液壓靈敏度和溫度依賴性也存在較大差異。此處挑選了一些具有代表性的光纖液壓傳感器的主要參數進行比較,如表1 所示。由1 表可見,采用高保偏PCF 的SI 干涉方法可以得到超高的壓力靈敏度,同時還有較高的溫度靈敏性,這主要是由PCF 本身的高雙折射特性造成的。除HB-SCF/SI 方法外,其他方法得到的溫度相關系數約為10 pm/?C,與液壓靈敏度相差不大,這可能導致光柵、FPI 或MZI 方案的交叉靈敏度問題,而SI 的高液壓靈敏度可以大大降低溫度交叉的影響。

表1 不同類型PCF 液壓傳感器的相關參數Table 1 Related parameters of different types of PCF pressure sensors

3 分析討論

基于PCF 的液壓傳感技術基于石英光纖的光彈效應,通過光學特征量例如光譜的測量來實現對折射率改變的感知,從而實現對液壓的傳感。同時,PCF 具有靈活的橫截面設計空間,通過獨特的光纖設計可進一步改進液壓增敏技術方案。本文回顧了幾種典型的PCF 液壓傳感技術:1)雙折射PCF 液壓傳感技術,其特征是液壓帶來光纖雙折射變化,通過Sagnac 干涉光譜探測實現液壓傳感。該技術可實現很高的液壓靈敏度,但由于采用了Sagnac 光纖環結構,尺寸較大,難以實現多個傳感器復用。2)PCF 光柵液壓傳感技術,其基于光纖布拉格光柵反射波長與液壓帶來的應變及應力導致的折射率變化的關系實現液壓傳感。由于尺寸很小的光纖布拉格光柵的傳感解調及復用技術非常成熟,使得該技術具有大規模復用的巨大優勢并且具有很小的傳感單元。3)FP 腔PCF 液壓傳感技術,其特征是采用FP 干涉光譜探測實現液壓傳感。通常是采用不同介質(包括空氣)界面反射形成FP 腔,傳感單元結構緊湊,液壓靈敏度依賴FP腔的結構和材料,能夠實現傳感單元的復用。4)雙芯PCF 液壓傳感技術,其特征是在PCF 內設計了兩個相互耦合的光波導結構,液壓對耦合特性有影響,通過探測耦合特種光譜實現液壓傳感。該技術體現了PCF 靈活設計帶來的優點:直接在光纖內部構建液壓傳感單元。相關研究報告表明雙芯PCF 可以實現高靈敏度的液壓傳感,具有成本低、結構簡單等優點。

PCF 液壓傳感器的發展特點及趨勢歸納如下:1)追求傳感單元小型化;2)進一步提高液壓靈敏度;3)解決與其他物理量的交叉影響;4)增強PCF 液壓傳感器的復用水平。

4 結 論

光纖晶體光纖液壓傳感技術在傳感單元層面已有相當深入的研究,相關技術也展示了巨大的潛在優勢,相關傳感結構可以用于溫度、振動、折射率等物理量的傳感,除了液壓應用領域,也可能在生物、醫學(如微創手術)、心血管疾病檢測等方面得到應用。但與其他光纖傳感技術發展狀況類似,仍面臨著系統集成、降低成本等問題。