双芯光子晶体光纤传感结构的制作方法

本发明属于光子晶体光纤技术领域，具体涉及一种双芯光子晶体光纤传感结构。

背景技术：

光纤水听器为解决水声研究提供了许多技术途径，为解决浅海低频的水声研究和应用的许多问题提供了理想的解决方法。声压水听器中应用最广泛的是传统光纤水听器的芯轴型结构，该结构通常采用迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪作为敏感元件，实现传感的技术原理为：

(1)由光纤材料做成的干涉仪的一臂或者两臂差绕至芯轴弹性结构上；

(2)声压作用于弹性结构，引起光纤折射率变化；

(3)通过检测折射率变化引起的相位差，实现对声压的传感。

此光纤水听器具有灵敏度高、结构轻巧、易于大规模成阵、抗电磁干扰能力强等优点，制造工艺成熟。

但是，在水域环境中，传统光纤水听器由于材料和结构的限制很难满足微弱信号探测的需要，而且结构较为复杂，阻碍了声压传感器向小型化、集成化的趋势发展。

因传统光纤水听器采用马赫-曾德尔干涉仪作为敏感元件，参考臂与测量臂不能集于同一元件中，即两臂分开，结构相对较为复杂，一定程度上限制了传感器的小型化；使得结构尺寸的进一步缩小遇到瓶颈。

因传统水听器干涉仪两个臂由石英材料制成，其杨氏模量和泊松系数较大，光弹性系数较小，且没有灵活的结构设计特性，直接表现为对压力的不敏感；层与纤芯两区域材料不同，热膨胀系数不一致，不能进行温度补偿；导致在较大压力作用下光纤形变较小，温度与压力交叉敏感，灵敏度不高。

因此需要提出一种芯光子晶体光纤传感结构来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种双芯光子晶体光纤传感结构。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

双芯光子晶体光纤传感结构，包括背景材料区域、六边形六层空气孔排列结构，六边形六层空气孔排列结构置于背景材料区域中；

在纤芯层六边形六层空气孔排列结构的中心线两侧分布有第一圆形纤芯结构、第二圆形纤芯结构；

第一圆形纤芯结构置于第一六边形空气孔排列结构内部；第二圆形纤芯结构包含第二六边形空气孔排列结构和基底材料；第一六边形空气孔排列结构与第二六边形空气孔排列结构对称分布在纤芯层六边形六层空气孔排列结构的中心线两侧；

第一圆形纤芯结构内掺杂有聚甲基丙烯酸甲酯；

多个小孔径空气孔环绕第一圆形纤芯结构设置；六边形六层空气孔排列结构、第一六边形空气孔排列结构和第二六边形空气孔排列结构中组成的空气孔均为大孔径空气孔。

具体地，六边形六层空气孔排列结构、第一六边形空气孔排列结构和第二六边形空气孔排列结构均为正六边形。

具体地，小孔径空气孔为六个；小孔径空气孔围绕第一圆形纤芯结构的中心排列为正六边形。

具体地，小孔径空气孔置于第一六边形空气孔排列结构内部。

优选地，任意两个最近大孔径空气孔的中心之间的距离为5.5um；

大孔径空气孔的直径为2.5um；

第一圆形纤芯结构、第二圆形纤芯结构的中心之间的距离为11um；

第二圆形纤芯结构中的未掺杂区域直径为5um；

小孔径空气孔的直径为1.4um；

第一圆形纤芯结构内掺杂聚甲基丙烯酸甲酯的区域直径为2.2um；

第一圆形纤芯结构的中心与任意一个小孔径空气孔的中心间距均为2um。

本发明的有益效果在于：

本发明的双芯光子晶体光纤传感结构；

1、结构小型化；引入光子晶体光纤，在pcf中设置双芯结构，将双干涉臂做到一根光纤中，单根光纤实现两种模式的传输与干涉，不用再对参考臂进行分装和封装。结构简单，尺寸微小，易于加工和集成。

2、提高精度和灵敏度；基于光子晶体本身对温度不敏感的特性，引入光子晶体作为传感器的敏感元件，其本身所具有的包层空气孔可降低包层区的等效杨氏模量，增大材料弹性系数，提高形变量。

在pcf设计的双芯结构中，单芯掺入弹性性能较好的聚甲基丙烯酸甲酯，在压力作用双芯下，产生内部应力，双芯有效模式折射率差呈线性关系，提高灵敏度。

附图说明

图1为传统光纤传感头结构示意图；

图2为本申请的横截面结构示意图；

图3为本申请中掺杂芯区放大图；

图4为不同声压下透射谱的变化图；

图5为本申请中第一六边形空气孔排列结构和第二六边形空气孔排列结构的结构示意图；

附图标记说明：

11-光纤耦合器；12-弹性筒；13-参考臂；14-传感臂；21-背景材料区域；22-六边形六层空气孔排列结构；23-第一圆形纤芯结构；24-第二圆形纤芯结构；25-第一六边形空气孔排列结构；26-第二六边形空气孔排列结构。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

申请概述

如图1所示，为传统光纤传感头结构示意图，该结构图包括光纤耦合器11、弹性筒12、参考臂13和传感臂14，此结构将干涉仪的一条传感臂绕制在弹性筒外侧，而参考臂固定至声场外或进行声压屏蔽处理。两根干涉臂发生干涉，压力作用下，干涉条纹产生移动，通过监测条纹移动量的大小，就能测得待测环境中的物理量的变化。

但此光纤结构由传统光纤石英材料制成，杨氏模量高达79gpa水平，导致在小压力情况下，传感单元探测不到信息。而传统光纤水听器由于材料和结构的限制，灵敏度与精度都难以提高。且光纤两臂分开封装，不能集于单根光纤，结构相对较为复杂，难以进一步实现小型化。本申请基于传统光纤水听器干涉仪结构原理制作掺杂型双芯光子晶体光纤传感器，双芯光子晶体光纤具有两个导光纤芯，可理想地代替传统光纤水听器的传感光纤臂和参考光纤臂，将双干涉臂做到一根光纤中，单根光纤实现两种模式的传输与干涉，此结构易于传感器的小型化。双芯存在一定差异性，即构成有效折射差。压力作用光子晶体光纤后，其双芯的同偏振有效折射率差会随压力改变，出射端两纤芯的相位差就发生变化，在出射端口形成具有一定特征的干涉透射图谱。若声压进一步扩大双芯的差异性，干涉透射谱会随之改变，即可根据解析透射峰的移动得到传感特性。光子晶体光纤在包层中引入空气孔可以得到传统光纤无法实现的大折射率差，通过改变空气孔的大小和分布可以控制光子晶体光纤的光学特性，因此本申请对双芯光子晶体光纤结构进行创新设计。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2、图3、图5所示，

双芯光子晶体光纤传感结构，包括背景材料区域21、六边形六层空气孔排列结构22，六边形六层空气孔排列结构22置于背景材料区域21中；

在纤芯层六边形六层空气孔排列结构22的中心线两侧分布有第一圆形纤芯结构23、第二圆形纤芯结构24；

第一圆形纤芯结构23置于第一六边形空气孔排列结构25内部；第二圆形纤芯结构24包含第二六边形空气孔排列结构26和基底材料；第一六边形空气孔排列结构25与第二六边形空气孔排列结构26对称分布在纤芯层六边形六层空气孔排列结构22的中心线两侧；

为了得到更高的声压灵敏度，第一圆形纤芯结构23内掺杂有压敏材料聚甲基丙烯酸甲酯；

多个小孔径空气孔环绕第一圆形纤芯结构23设置，缩小了第一圆形纤芯结构23区域的有效折射率；六边形六层空气孔排列结构22、第一六边形空气孔排列结构25和第二六边形空气孔排列结构26中组成的空气孔均为大孔径空气孔。

如图2、图5所示，

六边形六层空气孔排列结构22、第一六边形空气孔排列结构25和第二六边形空气孔排列结构26均为正六边形。

如图3所示，

小孔径空气孔为六个；小孔径空气孔围绕第一圆形纤芯结构23的中心排列为正六边形。

如图3所示，

小孔径空气孔置于第一六边形空气孔排列结构25内部。

如图2、图3所示，

任意两个最近大孔径空气孔的中心之间的距离的d6为5.5um；根据干涉原理，提高双芯有效折射率差可提高声压灵敏度，设置空气孔间距为d6＝5.5um，可将未掺杂纤芯(第二圆形纤芯结构24)有效折射率稳定在1.439附近；

大孔径空气孔的直径d4为2.5um；

第一圆形纤芯结构23、第二圆形纤芯结构24的中心之间的距离d7为11um；与单模光纤纤芯的10um相近，在熔接过程中可降低一定的操作难度。其双芯模场面积近似相同，可减小熔接过程的插入损耗，提升消光比。

第二圆形纤芯结构24中的未掺杂区域直径d5为5um；

小孔径空气孔的直径d3为1.4um；

第一圆形纤芯结构23内掺杂聚甲基丙烯酸甲酯的区域直径d2为2.2um；而扩大掺杂芯区(第一圆形纤芯结构23)孔直径d2，会明显提升掺杂芯区(第一圆形纤芯结构23)的有效折射率。

第一圆形纤芯结构23的中心与任意一个小孔径空气孔的中心间距d8均为2um。

在一些实施例中，双芯光纤直径d1为125um；

在一些实施例中，用石英材料作为光子晶体光纤的背景材料区域21，建立六边形六层空气孔排列的基本光子晶体光纤结构。

对本申请结构进行测验，测试在不同声压下透射谱的变化如图4所示。

透射谱波谷波长出现了明显的位移，移动波长间隔与所施加的均匀径向声压(20mpa声压作用下31、30mpa声压作用下32、40mpa声压作用下33、50mpa声压作用下34、60mpa声压作用下35)基本呈线性变化,压力灵敏度效果较好。此传感结构在自由空间波长1.55μm传输，传感长度6cm，均匀径向压力下，x偏振声压灵敏度可达0.15942nm/kpa，高于现有水平一个数量级。kpa量级的声压作用下，自由光谱宽度约1nm；40mpa声压作用下，自由光谱宽度约2.5465nm。在测量范围内，线性度高，插入损耗低，易于波长复用。

对比分析：传统水听器与本专利设计水听器关键技术参数对比如下表：

综上述数据：

(1)设计提高了左右双芯杨氏模量的差值，从而增大了双芯有效折射率差；

(2)掺入聚甲基丙烯酸甲酯，其光弹性系数远大于传统石英光纤，增强了压力敏感性。

(3)对于dwdm系统通道宽度可达到1nm，提高了水听器的复用性；

本申请中，

1、在光子晶体光纤上引入6层空气孔层数，设计位置对称式双芯结构，通过一芯结构小，一芯结构大，且在小芯中掺入杨氏模量较小的聚甲基丙烯酸甲酯，掺杂纤芯环绕一圈小孔径空气孔；以此来增大有效折射率差，提高声压灵敏度。

2、采用光子晶体光纤材料代替传统的石英材料，包层与纤芯具有相同的热膨胀系数，对温度进行了补偿；以此来降低了温度敏感性。

3、双芯集于一根光纤，且传感器有较大的数值孔径，具有很低的弯曲损耗，即传感器可小型化；以此来减小传感器单元的结构尺寸。

4、低双芯间距和相差不大的模场面积将有助于熔接过程中消光比和插损的控制；以此来提高消光比和降低插入损耗。

5、该结构在不同的声压作用下表现出了差异性大的自由光谱宽度，应用到不同应力水平的领域中，可做适当的长度调整；易于波分复用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。