一种新型光子晶体光纤的布里渊动态光栅传感 下载: 967次
1 引言
分布式光纤传感技术[1-2]是采用独特的分布式光纤探测技术,对沿光纤传输路径随空间和时间变化的信息进行测量或监控的传感技术。目前,光纤分布式传感技术主要围绕拉曼散射、瑞利散射和布里渊散射三种技术进行研究,其中布里渊散射技术受到广泛关注。分布式布里渊传感技术的提出最初是为了发展一种新型的光时域反射计用于光纤损耗的测量[3-4],随后研究者发现布里渊散射对温度和应变都很敏感[5],于是将此种技术应用于传感方面,结果发现其在天然气管道的变形监测、海底电缆的温度与应变监测等方面发挥了重要的作用[6-8]。
由于传统的分布式布里渊光纤传感技术在温度与应变的测量精度方面有一定的局限性,2008年,Song等[9]提出了一种基于布里渊动态光栅(BDG)的光纤分布式传感技术,因外界的温度和压力变化都会导致光纤双折射系数的变化,进而导致布里渊动态光栅双折射频移发生变化,故通过测量保偏光纤中双折射频移的变化实现对温度和压力的监测,此种技术的测量精度与空间分辨率有明显提高,打破了传统传感技术的限制。2010年,Dong等[10]利用熊猫型保偏光纤基于布里渊动态光栅技术实现对外界温度和应变的传感,得到了-54.38 MHz/℃的温度系数以及1.13 MHz/με的应变系数。2015年,该团队用椭圆芯保偏光纤基于布里渊动态光栅技术设计了分布式横向压力传感器[11],此传感器沿快轴方向的压力灵敏度为-6.217 GHz/(N·mm-1),沿慢轴方向的压力灵敏度为6.28 GHz/(N·mm-1)。2016年,Kim等[12]设计的基于BDG的分布式静水压强传感器的传感系数达到了123 MHz/MPa。
然而传统保偏光纤的双折射系数较低,细微的外界干扰便会导致两个偏振方向的光信号发生耦合,传感性能会因此受到限制而难以进一步提高,不适用于如今长距离光纤传感的需求。光子晶体光纤[13-15]具有灵活的可设计性,其空气孔的形状和排列方式对双折射系数的影响较大,因此,高双折射光子晶体光纤对压强及应变具有较高的敏感性。
为了克服传统保偏光纤在布里渊动态光栅压强传感方面传感灵敏度不足以及因双折射系数较低而易受外界干扰的缺点,本文提出了一种适用于压强传感的具有“三明治”结构的光子晶体光纤。在不同压强条件下,此新型光子晶体光纤空气孔的形状以及孔间距的改变对光纤双折射系数和双折射频移的影响较大,因此可以提高双折射频移的压强传感系数。利用有限元分析方法对其布里渊动态光栅传感特性进行了数值模拟,数值分析结果表明,在0~40 ℃下,慢轴方向上双折射频移的压强系数约为692 MHz/MPa,快轴方向上约为-404 MHz/MPa,0~40 MPa下温度系数约为0.18 MHz/℃。与2016年Teng等[16]利用15 cm的普通保偏光子晶体光纤设计的传感系数为199 MHz/MPa的压强传感系统相比,灵敏度约提高了493 MHz/MPa,适用于高精度光纤静水压强传感领域。
2 光纤模型与理论分析
2.1 光纤设计
在不同压强条件下光子晶体光纤的结构不同,压强对光纤双折射系数的影响越大,其双折射频移变化越大,压强传感灵敏度就越高。考虑该因素,同时考虑制造难度,设计的光子晶体光纤二维横截面结构如
如
2.2 布里渊动态光栅的理论分析
布里渊动态光栅通常是在高双折射保偏光纤中进行产生与读取,其产生与读取原理如
激光器输出的光经过90∶10耦合器分为两路,耦合器上臂分出的光又被50∶50的耦合器分为上路和下路两部分,上路光经过单边带调制(SSBM)与下路光相差一个保偏光子晶体光纤(PM-PCF)的布里渊频移。此光与下路光一起被掺铒光纤放大器(EDFA)放大,作为泵浦光(Pump)对向注入到保偏光纤的一个主轴内,由于两束光的频差满足光纤的布里渊频移,故两束光会在光纤中发生受激布里渊散射,产生声波场,此声波场便是布里渊动态光栅(BDG)。从90∶10耦合器下臂发出的光作为探测光(Probe),此光先经过微波源控制的电光调制器(EOM),之后被调制成脉冲光注入到光纤的另一个主轴中去探测之前产生的声波场。当探测光和泵浦1之间的频差满足光纤双折射频移时,可获得最大的光反射。
泵浦光与探测光之间的频率关系如
其中Δn为双折射系数,ng为群折射率。本文的目的是提高ΔνBire对压强的灵敏度,减少对温度的灵敏度,这通过优化光子晶体光纤结构即可实现。
温度和压强引起的双折射频移的变化可以表示为
式中:νBire(P, T)是当前压强和温度条件下的双折射频移;νBire(P0,T0)是初始压强和温度条件下的双折射频移;
在弱探测光的条件下,假设泵浦光1、泵浦光2、探测光和反射光的波矢分别为K1、K2、K3、K4。布里渊动态光栅反射率的表达式为
式中:g2=K1K2-(Δk2)/4,其中Δk是相位矢谐量,且满足Δk=(K4+K3)-(K1+K2);L为光纤长度[17]。
3 仿真结果
3.1 压强和温度对双折射系数的影响
基于COMSOL5.4利用有限元(FEM)方法对光子晶体光纤进行数值模拟。基于波动光学模块与固体力学模块进行仿真,并在光纤外部添加一层完美匹配层(PML)用于模拟边界吸收条件。光子晶体光纤包含了椭圆结构,使其在x轴与y轴方向上的结构呈现差异,从而产生双折射效应。光子晶体光纤两个偏振方向上的电场分布如
图 4. 电场分布和能量轮廓。(a)(b) x偏振;(c)(d) y偏振
Fig. 4. Electric field distribution and energy contour. (a)(b) x polarization; (c)(d) y polarization
从
图 5. 光子晶体光纤受力示意图。(a)沿快轴施加横向压力;(b)沿慢轴施加横向压力
Fig. 5. Direction of pressure. (a) Transverse pressure applied along y-polarization axis; (b) transverse pressure applied along x-polarization axis
在设置好边界条件之后,在固体力学模块内按
图 6. 光纤受力形变图。(a)沿快轴施力;(b)沿慢轴施力
Fig. 6. Deformation of fiber. (a) Pressure applied along y-polarization axis; (b) pressure applied along x-polarization axis
当光子晶体光纤受到压力时会发生形变,空气孔之间的间距被压缩,空气孔的形状也会发生改变。如
图 7. 光子晶体光纤双折射系数随压强变化。(a)沿快轴施加压力;(b)沿慢轴施加压力
Fig. 7. Birefringence of the PCF as a function of pressure. (a) Pressure applied along y-polarization axis; (b) pressure applied along x-polarization axis
除压强之外,外界环境温度同样会对双折射频移有一定的影响。本文设计的光子晶体光纤材料为纯二氧化硅,二氧化硅温度稳定性较高,其折射率随温度的变化很小,光纤折射率的分布由空气孔的大小和排列方式决定,因此产生的双折射效应主要为几何双折射而不是由温度变化产生的内应力而导致的应力双折射,所以光子晶体光纤的温度稳定性较高[19]。本文计算了不同环境温度下的光纤双折射系数,计算方式可参考文献[
20]。在COMSOL5.4中的全局定义窗口设置好体积参考温度之后,在固体力学模块中选择热膨胀属性,改变光纤模型的工作温度。与压强传感部分计算步骤类似,先利用固体力学模块得到一定温度下光纤的形状,再利用波动光学模块计算光纤有效折射率。
3.2 压强和温度对双折射频移的影响
利用3.1节计算获得不同压强和温度下的双折射系数后利用(1)式可以得到对应双折射频移的变化。下面将对双折射频移的变化规律进行分析。
进行压强仿真工作时,设定光纤长度为1 m,温度环境为0 ℃、20 ℃和40 ℃,对光纤沿快轴方向均匀地施加横向压力。20 ℃下双折射频移随压强的变化曲线如
图 9. 沿快轴施加不同压力时双折射频移变化曲线
Fig. 9. Birefringence-induced frequency shift of the PCF as a function of pressure applied along y-polarization axis
如
图 10. 布里渊动态光栅反射谱随快轴压强的变化
Fig. 10. Reflective spectra with different pressures applied along y-polarization axis for BDG
同样地,对光纤沿慢轴方向均匀地施加横向压力,20 ℃下双折射频移随压强的变化情况如
从
图 11. 沿慢轴施加不同压力时双折射频移变化曲线
Fig. 11. Birefringence-induced frequency shift of the PCF as afunction of pressure applied along x-polarization axis
如
图 12. 布里渊动态光栅反射谱随慢轴压强变化情况
Fig. 12. Reflective spectra with different pressures applied along x-polarization axis for BDG
为了更加准确地表示温度对光纤双折射频移的影响,计算了在快轴和慢轴方向压强分别为0 MPa、20 MPa、40 MPa下,长度为1 m的光纤双折射频移随温度的变化情况,其变化如
图 13. 不同压强下双折射频移随温度的变化曲线
Fig. 13. Birefringence-induced frequency shift of the PCF as a function of temperature with different pressures
在双折射频移的变化量以及传感系数已知的情况下,可以根据(2)式计算出压强和温度的变化量,从而实现传感。而光子晶体光纤的温度不敏感特性使得温度对压强传感中产生的干扰可以忽略不计,因此,本文设计的光子晶体光纤可以实现压强的高精度传感。与文献[ 16]中利用普通保偏光子晶体光纤基于布里渊动态光栅设计的压强传感器相比,本文提出的基于新型光子晶体光纤的布里渊动态光栅双折射频移传感系数从199 MHz/MPa提高到了691.8 MHz/MPa,测量误差为0.007 MPa,准确度较高,因此更适用于高精度传感领域。
上述工作主要针对光纤慢轴和快轴方向上压强和温度的传感进行了研究,但是光子晶体光纤对于施力方向也较为敏感。为了观察在不同压力方向同等压强大小时对光纤双折射频移以及布里渊动态光栅反射谱的影响,仿真并计算了20 ℃下,施力角度不同时(与快轴正方向的角度θ=10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°),双折射频移与压强的关系,其结果如
图 15. 不同施力角度下双折射频移随压强的变化曲线
Fig. 15. Birefringence-induced frequency shift of the PCF as a function of pressure with different angles
4 结构灵敏度分析
目前在光子晶体光纤的制造方法中溶胶凝胶铸造[23-24]是一种比较新颖的方法,它可以灵活地改变包层中气孔的形状、尺寸和间距而不产生空洞,越来越受到人们的欢迎。该方法通过将熔融石英挤压到预先根据包层结构设计的模具中,得到纤维预成型件,然后将预成型件放入纤维拉丝器具中进行拉丝[13]。这个方法为我们提出的结构制造提供了可行性。但在拉制过程中,圆气孔直径仍不可避免地会有1%~2%的误差,在考虑到偏差之后,传感过程中双折射频移随压强的变化情况如
从
图 16. 在圆气孔直径存在1%~2%的误差下双折射频移随压强和温度的变化。(a)沿慢轴施力;(b)沿快轴施力;(c)温度
Fig. 16. Birefringence-induced frequency shift as a function of pressure and temperature with 1%--2% variations of circular air holes diameter. (a) Pressure applied along x-polarization axis; (b) pressure applied along y-polarization axis; (c) temperature
5 结论
本文提出一种具有“三明治”结构的新型光子晶体光纤,利用有限元分析方法针对此光纤的布里渊动态光栅传感特性进行了数值分析,研究了在不同压强和温度下双折射频移的变化情况。结论如下:在0~40 ℃下,慢轴方向上双折射频移的压强系数约为692 MHz/MPa,快轴方向上约为-404 MHz/MPa;与前人设计的横向压强传感器相比,本文提出的横向压强传感系数从199 MHz/MPa提高到了692 MHz/MPa;在0~40 MPa下温度系数约为0.18 MHz/℃,该光子晶体光纤具有温度不敏感特性。本文提出的新型光子晶体光纤适用于海底监测、静水压强监测以及其他高精度传感领域。
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