專利名稱：一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器領域，具體涉及一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件。
背景技術：
在過去的十幾年中，光子晶體光纖作為一種特殊的光纖波導結構已經引起了國際 學術界的廣泛關注。利用其在設計上的靈活性，光子晶體光纖可以容易地實現許多非常吸 引人的特性，諸如無盡單模特性、高非線性、高雙折射、平坦色散、超大負色散、大模場面積 等等，從而廣泛應用于光纖通信、光傳感等領域。光子晶體光纖可以按導光原理分為兩種全內反射型和光子帶隙型光子晶體光 纖。相比而言，有關全內反射型的光子晶體光纖的研究比光子帶隙型的光子晶體光纖要更 為廣泛。全內反射型光子晶體光纖雖然從原理上說，是利用了高折射率的纖芯和低折射率 的含有空氣孔的包層的折射率差，形成類似于普通光纖的全內反射來導光，但是只要空氣 孔尺寸比較大，這類光子晶體光纖中同樣也可以出現光子帶隙效應。因此合理設計的全內 反射型光子晶體光纖實際上完全可以讓光子晶體光纖導光與全內反射導光共存一體，獲得 更好的光場限制。干涉型光纖傳感器基于傳統的光學干涉原理，常用的有馬赫-增德爾干涉儀、薩 尼亞克光纖干涉儀、法布里-珀羅干涉儀以及光纖環形腔干涉儀等結構。為了獲得好的偏 振干涉效應，干涉型光纖傳感器需要使用單模光纖，而且最好使用高雙折射的單模光纖。全 內反射型光子晶體光纖包層的等效折射率和纖芯的等效折射率相差可以很大，同時其空氣 孔的形狀、大小和位置也可以容易的改變，這就便于在纖芯或者包層中引入高雙折射所需 的非對稱結構。經過特殊設計的光子晶體光纖可以提供的模式雙折射通常可以達到10_3數 量級。本發明提供了一種基于偏振干涉原理的光子晶體光纖傳感器，由起偏器、光子晶 體光纖和檢偏器所組成，光子晶體光纖的雙折射特性可以使光纖中的兩正交偏振模式在通 過光纖后產生相位差，兩個正交模式在檢偏器的通光方向上產生干涉。當通入光子晶體光 纖纖芯樣品孔中的待測樣品發生變化時，兩正交偏振模式的相位差發生變化，從而使其干 涉特性發生改變，透過檢偏器的光功率發生變化，從而實現了傳感。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件。本發明提供了一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，沿光線傳輸的方向依 次包括起偏器，光子晶體光纖和檢偏器。光子晶體光纖的橫斷面包括纖芯和包層，包層與普 通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯的均勻分布著相同結構的圓形空氣孔的外圍區域，所述 圓形空氣孔在光纖基底材料中呈周期性排列，其尺寸為波長量級，每相鄰的三個圓形空氣 孔單元構成一個正三角形。纖芯由光纖基底材料與以光纖軸心為中心呈菱形對稱的互不交 疊的兩個橢圓形空氣孔和兩個樣品孔共同構成，菱形長對角線的方向與所述正三角形的一邊平行或垂直，橢圓形空氣孔的長軸與菱形長對角線平行或者垂直。所述橢圓形空氣孔可 以使光纖結構產生不對稱性，從而使光子晶體光纖產生雙折射，樣品孔的作用為注入待測 樣品。由于橢圓形空氣孔產生不對稱性，兩個正交偏振模式的模場在樣品孔處的強度不同， 于是樣品的折射率變化對兩個模式的影響不同，從而使兩個正交模式的相位差發生改變。所述光子晶體光纖傳感器件中起偏器和檢偏器的通光方向必須不與橢圓形空氣 孔的長軸平行或垂直，也就是說保證入射到光子晶體光纖上的光能夠耦合到兩個正交模式 中。起偏器的通光方向優選與長軸呈45度方向，檢偏器的通光方向優選與起偏器平行或垂 直，這是為了使檢測的信號強度最大。起偏器和檢偏器是偏振片或者格蘭棱鏡。所述光子晶體光纖傳感器件中光子晶體光纖包層中圓形空氣孔的直徑與孔中心 間距的比值不大于0. 76。所述光子晶體光纖傳感器件中光子晶體光纖纖芯處的橢圓形空氣孔的短軸直徑 不小于200納米，不大于孔中心間距的0. 3倍，長軸直徑不大于包層圓形空氣孔中心間距的 0. 5倍，兩個橢圓形空氣孔的中心間距大于長軸直徑的1. 3倍，小于包層圓形空氣孔中心間 距的0. 7倍，這些尺寸的設置一方面是為了便于加工，一方面是為了保證空氣孔的獨立性， 即沒有兩個空氣孔是聯通的，另外還要保證光纖中存在兩個基模的正交模式。
所述光子晶體光纖傳感器件中光子晶體光纖纖芯處的樣品孔的外徑不大于包層 空氣孔中心間距的0. 5倍，兩個樣品孔的中心間距大于樣品孔外徑的1. 3倍，小于包層圓形 空氣孔中心間距的0. 7倍。這里對樣品孔尺寸的設置也是為了保證加工方便的同時，防止 樣品孔和空氣孔相聯通。所述光子晶體光纖傳感器件中光子晶體光纖基底材料為石英玻璃。本發明的基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件具有以下優點1.本發明所設計的基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件使用具有高雙折射的 光子晶體光纖，可以在很短的光子晶體光纖中實現兩個正交偏振模式較大的相位差，因此 本發明設計的傳感器件具有尺寸小，便于集成等優點。2.本發明所設計的基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件中的樣品孔位于兩個 正交偏振模式場強大小不一致的區域，待測樣品折射率的變化對其中一個偏振模式的有效 折射率影響較大，對另一個偏振模式的影響較小，因此待測樣品折射率的微弱變化都能夠 帶來兩個偏振模式相位差的較大變化，進而較大的影響干涉特性。因此本發明所設計的傳 感器件具有高靈敏度的優點。
圖1是基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件組成結構圖。101為起偏器，102為 光子晶體光纖，103為檢偏器。圖2是光子晶體光纖橫斷面示意圖。201為包層，202為包層中的圓形空氣孔，203 為纖芯的橢圓形空氣孔，204為纖芯的圓形空氣孔，Λ為包層空氣孔中心間距，d為包層空 氣孔直徑，A工為纖芯的橢圓空氣孔中心間距，a為橢圓形空氣孔長軸，b為橢圓形空氣孔短 軸，A2為纖芯的圓形空氣孔中心間距，c為纖芯圓形空氣孔直徑。圖3是使用全矢量有限元方法計算得到光子晶體光纖中χ方向偏振模式和y方向 偏振模式的Z方向玻印廷矢量Sz分布圖。
圖4是輸出光功率隨待測樣品折射率變化示意圖
具體實施例方式在本實施方式中，所設計的基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件由起偏器，光 子晶體光纖和檢偏器組成(如圖1所示)。光子晶體光纖選用六角形結構，其橫截面圖如圖 2所示，包層的圓形空氣孔的中心可組成三個以纖芯的圓心為中心的正六邊形，纖芯的兩個 橢圓形空氣孔的圓心位于x軸上，圓形樣品孔的圓心位于y軸上。在本實施方式中，輸入光 波長設為1. 5微米，因此設空氣孔間距A = 2. 2微米，包層空氣孔直徑d = 0. 76A，橢圓空 氣孔中心間距人工=1.6微米，纖芯的圓形樣品孔中心間距A2 = 2微米，橢圓形空氣孔長 軸與1軸平行，長軸直徑a = 0. 99微米，短軸直徑b = 0. 3微米，纖芯圓形空氣孔直徑c =0.6微米。在本實施方式中，光子晶體光纖的包層為石英，其在1.5微米波長處的折射率為
1.44。包層空氣孔和纖芯空氣孔的折射率均為1。圓形樣品孔中的待測樣品設為水溶液，其 折射率在1. 33附近變化。圖3是使用全矢量有限元方法計算得到當樣品孔中待測樣品折射率為1. 33時，光 子晶體光纖中x方向偏振模式和y方向偏振模式的z方向玻印廷矢量Sz分布圖。使用全矢量有限元方法可以計算得到此時x方向偏振模式的有效折射率nx = 1. 350368，y向偏振模式的有效折射率ny = 1. 357466，模式雙折射An = 0. 0071，可計算得 到兩個模式的耦合長度L。= 105. 6636微米。在本實施方式中，光由普通單模光纖經過起偏器后耦合進入光子晶體光纖，在光 子晶體光纖中傳輸后，再經過檢偏器耦合到普通單模光纖輸出，不考慮光在各個器件之間 的光程和光束發散，起偏器和檢偏器的通光方向都與x軸成45度。設Ein(x，y)和Hin(x， y)為普通單模光纖基模在45度偏振方向的電場和磁場強度，艮0^，》，民0^，7) *Hx(x，y)， Hy(x,y)分別光子晶體光纖x，y偏振模式的電場和磁場強度。則光子晶體光纖中的電場和 磁場強度可看為兩個正交偏振模式場強的線性疊加。E(x, y, z) = axEx (x, y)e^z + ayEy (x,y)eifiyZH(Xiy,z) = axHx(x,y)e^z +ayHy(xfy)e^z .其中0 x和0 y分別為x和y偏振模式的傳輸常數，ax和ay分別為由輸入模式到 光子晶體光纖中x和y偏振模式的耦合系數，表示為<formula>formula see original document page 5</formula>光經過長度為L的光子晶體光纖后，兩個正交模式在檢偏器的通光方向發生干 涉，并耦合進入普通單模光纖，輸出的電場、磁場和功率表達為Eout(x, y) = a0UtE(x, y, L)Hout(x, y) = a0UtH(x, y, L) <formula>formula see original document page 5</formula> 其中a。ut為由光子晶體光纖到普通單模光纖的耦合系數，由于起偏器和檢偏器的偏振方向一致，此處的輸出模式的磁場分布使用Hin(X，y)<formula>formula see original document page 6</formula>當樣品孔中的樣品折射率從1. 31到1. 35變化時，分別采用全矢量有限元的方法 計算光子晶體光纖兩個正交偏振模式的模場分布，并根據上述公式計算得到輸出光功率， 此時設光子晶體光纖的長度為39. 5L。= 4. 1737mm，得到如圖4所示的歸一化輸出功率和折 射率變化的關系曲線，從圖中可以得出，當折射率變化0. 04時，輸出功率可以變化130%以 上最后應說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發明的基于偏振干涉的光 子晶體光纖傳感器件，但非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通 技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方 案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，包括起偏器，光子晶體光纖和檢偏器，光子晶體光纖的橫斷面包括纖芯和包層，包層與普通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯的均勻分布著相同結構的圓形空氣孔的外圍區域，所述圓形空氣孔在光纖基底材料中呈周期性排列，其尺寸為波長量級，每相鄰的三個圓形空氣孔的圓心構成一個正三角形，纖芯由光纖基底材料與以光纖軸心為中心呈菱形對稱的互不交疊的兩個橢圓形空氣孔和兩個圓形樣品孔共同構成，菱形長對角線的方向與所述正三角形的一邊平行或垂直，橢圓形空氣孔的長軸與菱形長對角線平行或者垂直，所述橢圓形空氣孔的作用為使光子晶體光纖產生雙折射，圓形樣品孔的作用為注入待測樣品。
2.根據權利要求1所述的一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，其特征在于， 所述起偏器和檢偏器的通光方向必須不與橢圓形空氣孔的長軸平行或垂直，起偏器的通光 方向優選與長軸呈45度方向，檢偏器的通光方向優選與起偏器平行或垂直，起偏器和檢偏 器是偏振片或者格蘭棱鏡。
3.根據權利要求1所述的一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，其特征在于， 所述光子晶體光纖包層中圓形空氣孔的直徑與孔中心間距的比值不大于0. 76。
4.根據權利要求1所述的一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，其特征在于， 所述光子晶體光纖纖芯處的橢圓形空氣孔的短軸直徑不小于200納米，不大于孔中心間距 的0. 3倍，長軸直徑不大于包層圓形空氣孔中心間距的0. 5倍，兩個橢圓形空氣孔的中心間 距大于長軸直徑的1. 3倍，小于包層圓形空氣孔中心間距的0. 7倍。
5.根據權利要求1所述的一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，其特征在于， 所述光子晶體光纖纖芯處的圓形樣品孔的直徑不大于包層空氣孔中心間距的0. 5倍，兩個 圓形樣品孔的中心間距大于樣品孔直徑的1. 3倍，小于包層圓形空氣孔中心間距的0. 7倍。
6.根據權利要求1所述的一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件，其特征在于， 所述光子晶體光纖基底材料為石英玻璃。
全文摘要
一種基于偏振干涉的光子晶體光纖傳感器件。傳感器件包括起偏器，光子晶體光纖和檢偏器。光子晶體光纖的纖芯有產生雙折射的橢圓形空氣孔和用于通入樣品的樣品孔。光經過起偏器后耦合到光子晶體光纖的兩個正交偏振模式，經過在光子晶體光纖中的傳輸由于雙折射產生相位差，并在檢偏器的通光方向上發生干涉。當所通入樣品的折射率發生變化時，兩個正交偏振模式的干涉特性發生變化，進而使透過檢偏器的光功率發生變化。
文檔編號G01D5/32GK101832793SQ20101015437
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月26日 優先權日2010年4月26日
發明者安琳, 趙欣, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學