[发明专利]级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种刻有级联长周期光栅、包层空气孔中填充液体乙醇的光子晶体光纤，特别是一种谐振波长温度可调谐的级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器。

背景技术

长周期光纤光栅是指在光纤的纤芯中引入折射率的周期性变化，周期与红外波在同一数量级，通常为几百微米。光纤光栅传感器通过谐振波长的调谐来获得传感信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，适合用于精密、精确测量。因此制作高灵敏度的光纤光栅传感器是现代传感器发展的一个重要方向。

光子晶体光纤是一种新型光纤。相比普通光纤，光子晶体光纤有很多优点：无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性等。按照纤芯材料的不同，光子晶体光纤可以分为实心光子晶体光纤和空心光子晶体光纤；按照导光机理的不同，光子晶体光纤可以分为全内反射型光子晶体光纤和带隙型光子晶体光纤。通过向光子晶体光纤空气孔中填充不同的热敏物质，可以灵活的改变光子晶体光纤的传输特性。

长周期光纤光栅具有波长可调谐的特性，谐振波长对温度的变化敏感，所以可以用于温度测量。但是当温度变化时，传统的光纤光栅的周期和有效折射率都会发生变化，引起耦合波长漂移。而光子晶体光纤由于其是由一种材料构成的，热弹应变效应很小，填充热敏物质后，温度不会引起光栅周期变化，只是影响热敏物质的折射率，从而改变纤芯模式和包层模式的有效折射率，使得谐振波长漂移，准确地反映出温度的变化特性。

单个的长周期光栅的透射谱带宽比较大，测量中如果光谱仪的分辨率比较低，就会引入比较大的波长读数误差，限制了长周期光栅的测量分辨率。将两根传输频谱完全相同的长周期光栅间隔一段距离刻入光子晶体光纤，构成级联长周期光纤光栅结构，可以缩小频谱带宽，明显地提高了测量精度。

以往的光纤传感器制作完成后就无法再改变其传输特性，但是实际应用中需要根据实际情况选择合适的探测波段。所以为了节省制作时间和成本，有必要研究一种不用改变光子晶体光纤的结构就可以改变其传输特性的高灵敏度的温度传感器。

级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器

发明内容

本发明目的是解决以往的光子晶体光纤传感器制作完成后就无法再改变其探测波段的问题，提供一种只需选择合适的光栅周期和光纤耦合模式，就可以灵活控制其传感波段的级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器，并且通过级联光栅提高了传感器的测量精度和灵敏度。

本发明提供的级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器，用作传感器的光子晶体光纤具有三角形周期排列的空气孔（2）组成的包层（1），包层（1）的中央为纤芯（3），纤芯（3）半径大于包层空气孔（2）的半径，在光纤上写入级联长周期光栅，并且在光纤的包层空气孔（2）中填充热敏物质。

所述包层空气孔（2）中填充的热敏物质为液体乙醇，乙醇的折射率小于包层（1）的折射率。所述光子晶体光纤的材料折射率为1.444。

所述包层中空气孔的半径r=0.9um，空气孔间距D=6.67um，纤芯的直径d=10um，光栅周期Λ=738.8um，光栅长度L₁=26.6cm，级联光栅间距L=369.4um。

本发明的级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器，在包层空气孔中填充热敏物质，光栅周期可由实际所选波段确定。通过控制热敏物质的温度，改变光栅耦合模式的有效折射率，从而改变光栅透射谱的中心波长，使温度的变化体现为透射谱线的偏移，实现波长可调谐的温度传感特性。区别于传统的在光纤上写制单个长周期光栅，在光纤上间隔一段距离写制两段完全相同的长周期光栅，克服了单个长周期光栅的透射谱带宽比较大而引入较大误差的缺点，提高了传感器的测量精度和灵敏度。

本发明的优点和有益效果：

本发明在光子晶体光纤上写入长周期光栅，使其传感特性体现为光栅透射谱的谐振波长随传感参量的变化发生偏移；并且在此基础上引入级联长周期光栅结构，缩小了谐振峰的频谱带宽，并且引入了新的谐振频谱分量，从而提高了传感器的灵敏度和测量精度，降低了测量误差。在实芯光子晶体光纤的包层空气孔中填充乙醇后，由于乙醇具有对温度的敏感性，所以通过控制乙醇工作环境的温度就可以改变光纤的耦合模式的有效折射率，而无需改变光子晶体光纤本身对温度不敏感的特性，实现了对温度的高灵敏、高精度传感。附图说明

图1是本发明实施例光子晶体光纤的横截面示意图。图中，1为包层，2为空气孔，3为纤芯，r为空气孔半径，D为相邻空气孔间距。