一种基于光子晶体光纤的高灵...nac型温度传感器建模研究_赵丽娟.pdf

第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02060041一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究赵丽娟1，2，3，吴雨静1，徐志钮1，刘琪1（1 华北电力大学 电气与电子工程学院，保定 071003）（2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室，保定 071003）（3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室，保定 071003）摘要：为提高 Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度，提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料，使光纤具有良好的温敏特性。在 COMSOL 中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算，利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式，最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到 2.050 7105/，在 1 550 nm 处可获得 5.96102的双折射。将 2 mm 光子晶体光纤应用于 Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析，利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度，提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在 075 范围内传感器平均灵敏度可达 11.28 nm/，与现有典型 Sagnac型温度传感器相比，本文 Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，并且测温范围更大、准确性更高。因此，该传感器在温度测量领域有一定的应用前景。关键词：光子晶体光纤；Sagnac型温度传感器；双折射；温度灵敏度；乙醇填充中图分类号：TN253 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02060040 引言干涉型温度传感器通过不同结构的干涉仪将两束或多束光汇合发生干涉，利用光纤中光相位随光纤所处环境温度的变化而变化实现传感。常见的干涉仪包括迈克尔逊干涉仪、法布里-玻罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪以及光纤 Sagnac干涉仪1-2。光纤 Sagnac干涉仪最初被用来制作光纤陀螺仪3-4，随后基于 Sagnac干涉仪的温度传感器因其灵敏度高、制作简易被广泛应用在传感领域5。通常在 Sagnac型温度传感器中插入一段特殊光纤作为传感部分，当外界温度变化时，分别在光纤两个偏振态传输的两束光相位差会因光纤双折射的变化而发生变化，分析因两束光相位差变化引起的光谱偏移，即可实现传感测量6-7。2013 年，QI Fei 等8提出了一种基于乙醇灌注边孔光纤（Side-hole Fiber，SHF）的 Sagnac 型温度传感器，利用乙醇的折射率随温度变化，改变光纤的双折射系数，进而导致输出谱的波长漂移，在 2080范围内实现 86.8 pm/的灵敏度，与普通光纤布拉格光栅传感器相比灵敏度得到大幅提高。为了提高灵敏度，2017年，RUAN Juan 等9将薄芯光纤（Thin-core Fiber，TCF）结合熊猫型保偏光纤应用于 Sagnac型温度传引用格式：ZHAO Lijuan，WU Yujing，XU Zhiniu，et al.Modelling Study of a High Sensitivity Sagnac Temperature Sensor Based on Photonic Crystal Fiber J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0206004赵丽娟，吴雨静，徐志钮，等.一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac 型温度传感器建模研究 J.光子学报，2023，52（2）：0206004基金项目：国家自然科学基金（Nos.62171185,62273146），河北省自然科学基金（Nos.E2019502177,E2020502010），河北省省级科技计划（No.SZX2020034），中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金（No.2021MS072），2022 年 大 学 生 科 技 创 新 培 育 专 项（No.9101522005）第一作者：赵丽娟，通讯作者：徐志钮，收稿日期：2022 09 19；录用日期：2022 11 29http:/光子学报02060042感器中，Sagnac环中传感光纤为 55 cm，得到 1.54 nm/的温度灵敏度，虽然灵敏度得到了提高，但其传感器内部使用的光纤较长，不利于传感器的小型化。由于普通光纤的双折射有限，干涉光谱跟踪响应的解调比较困难，Sagnac环中传感光纤通常很长，在实际应用中不方便。而且在低双折射光纤两个偏振方向传播的光信号易因外界干扰发生耦合10，对传感器性能产生不利影响。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）灵活的结构设计性为实现高双折射提供了条件，并且通过在 PCF 空气孔中填充温敏液体能够实现较高的温度灵敏度11-12，将高双折射光子晶体光纤应用于 Sagnac 型温度传感器中成为一大研究热点。2012 年，CUI Ying 等13将 11.7 cm 长 的 选 择 性 填 充 光 子 晶 体 光 纤 应 用 于 Sagnac 温 度 传 感 器 中，实 现2.58 nm/的灵敏度。2017年，LI Xuegang等14使用一种长 20 cm 的乙醇填充 PCF 制成全光纤型 Sagnac温度传感器，在 2533 内温度灵敏度为 1.65 nm/，测温范围较小。同年，WU Jianjun等15设计了一种掺硼的光子晶体光纤，将其用于 Sagnac干涉温度传感实验，在 20100 范围内实现测温，虽然测温范围得到了提高，但测量灵敏度仅为 1.10 nm/。现有基于 PCF的 Sagnac型温度传感器性能尚待进一步提升。为了实现 Sagnac型温度传感器性能的提升，本文提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过有限元分析方法16对该光纤的传播特性进行分析，研究了光纤结构参数对光纤双折射系数和双折射温度灵敏度的影响以及温敏液体的填充方式、填充液体类型对光纤双折射温度灵敏度的影响。最后将设计的光子晶体光纤应用于 Sagnac型温度传感器中，并通过仿真对传感器的性能进行研究。结果表明，在 1 550 nm 处，该光纤的双折射系数高达 5.96102，光纤的双折射温度灵敏度能够达到 105/量级。基于此光子晶体光纤的 Sagnac型温度传感器在 075 范围内平均灵敏度达 11.28 nm/，最高灵敏度达 15.94 nm/，且所使用 PCF 长度仅为 2 mm，在实际使用中较方便。与现有传感器相比，此传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，传感范围也得到了一定的扩大，同时提出采用二次多项式拟合波长与温度的关系，提高了温度测量的准确性。具有结构简便、测温范围广、灵敏度高等优势，为小型化大测量范围高灵敏度温度传感的实现和应用提供了一种有效的设计方案。1 理论分析及结构设计1.1传感原理与系统结构光纤的双折射系数会随温度的变化而变化，利用这一特性可制作温度传感器17。光子晶体光纤对温度的灵敏度有限，利用温敏液体对光纤进行填充，能够有效提高光纤的双折射温度灵敏度。通常，温敏液体的热敏系数可表示为18n=n0-(T-T0)（1）式中，T为工作温度，为液体的热敏系数，T0为某已知温度，n0为该已知温度下液体的折射率，n为液体在工作温度T时的折射率。乙醇的热敏系数为 3.94104 K1，20 时折射率为 1.360 48；甲苯的热敏系数为5.273104 K1，20 时折射率为 1.477 00；聚甘油的热敏系数为 2.6104 K1，20 时折射率为 1.462 00。分别采用乙醇、甲苯和聚甘油对光子晶体光纤进行填充。基于 Sagnac干涉仪的温度传感器，其原理性结构示意如图 1，由光源、3 dB耦合器、液体填充的高双折射光子晶体光纤、偏振控制器（Polarization Controller，PC）以及光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA）构成。图 1Sagnac干涉仪型温度传感器原理Fig.1Schematic of the Sagnac interferometer temperature sensor赵丽娟，等：一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究02060043光源发出的光经过 3 dB 耦合器后分成两束相同强度的光，一束沿顺时针方向传输，另一束沿相反方向传输。经过环路的传播，当两光束再次进入耦合器时，耦合成一个光束输出至光谱分析仪。由于光子晶体光纤的双折射特性，返回耦合器的两束光会产生一定的相位差，表示为19=(x-y)L=2BL（2）式中，为传播常数，L为光子晶体光纤的长度，为工作波长，B为光纤的双折射系数，可表示为20B=|Re(nxeff)-Re(nyeff)|（3）式中，nxeff和nyeff分别为 x偏振态和 y偏振态的有效模式折射率。Sagnac型传感器的透射谱可表示为21H=1-cos()2=1-cos()2BL 2（4）其透射谱凹点对应波长dip满足关系式=2BLdip=(2k+1)（5）式中，k为常数，进而可得dip=2BL2k+1（6）当外界环境温度发生变化时，dip会由于光纤长度和双折射变化而发生偏移，长度和双折射变化量分别为L和B。波长偏移量dip可表示为dip=2LB+2BL2k+1（7）由于石英和乙醇的热膨胀系数分别为 0.5106 K1和 1.09103 K1，均非常小。可以忽略光纤因热膨胀导致的长度变化，因此，dip的偏移量可以表示为dip2LB2k+1（8）基于 Sagnac干涉仪的温度传感器，其灵敏度S可以由式（9）得到S=dipT（9）式中，dip是凹点偏移量，T是温度变化量。因此，在一定温度变化范围内，传感器的温度灵敏度随dip偏移量的增大而增加。由式（8）可知，在传感器中光纤长度保持不变的情况下，一定温度变化范围内光纤双折射变化量越大，dip就越大。分析光纤的双折射温度灵敏度，即可反映传感器的灵敏度。光纤的双折射温度灵敏度可通过光纤双折射变化量B与温度变化量T的比值来分析22，即=BT（10）1.2光纤设计光纤双折射系数随光纤结构在 x、y偏振轴之间不对称性的增加而增大。温度变化对光纤双折射系数的影响越大，光纤的双折射温度灵敏度越高，基于此光纤的 Sagnac型温度传感器的灵敏度就越高。综合考虑此因素和光纤制造难度，本文设计的光子晶体光纤横截面结构如图 2。光子晶体光纤包层区域由五层空气孔按照六边形排列，其中圆形空气孔与椭圆形空气孔交错排列，整体呈现轴对称分布。最内层由四个椭圆空气孔构成，基底材料为纯石英，折射率为 1.45。纤芯由中心空气孔缺失形成，最内层空气孔的分布增加了光纤结构的不对称性，有利于改善光纤特性。经过系统的光纤性能分析，确定了结构参数。其中，圆形空气孔的直径 d=0.775 m，小椭圆空气孔长轴 a1=0.775 m，短轴长为 b1，孔间距为 d1。大椭圆空气孔长轴 a2=1.328 m，最内层椭圆空气孔长轴 a3=1.594 m，短轴长为 b3=0.57 m。光子学报020600442 建模与结果分析利用 COMSOL有限元分析软件建立了光子晶体光纤的电磁场模型，采用较细化网格进行剖分，并在光纤外层添加完美匹配层。根据光纤结构参数对双折射系数和光纤双折射温度灵敏度的影响进行光纤结构优化。在此结构基础上，从温敏液体的填充方式、温敏液体的类型两方面研究了对光纤双折射温度灵敏度的影响。最后将此光子晶体光纤应用于 Sagnac型温度传感器并进行传感器性能仿真分析。2.1结构对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响建模基于如图 2 所示的光纤结构参数，图 3 为 b1=0.30 m，d1=0.80 m 时在波长 1 550 nm 处光纤 x 偏振态和 y偏振态的模场分布。从分布图中可以看出，能量很好地集中在纤芯中，能够保证光信号的传输。且x、y偏振态模场分布所呈现的形状不同，这导致了该光纤双折射现象的产生。光纤包层椭圆短轴 b1和孔间距 d1会对光纤的结构不对称性产生较大影响，故对其进行调整并分析对光纤双折射系数和双折射温度灵敏度的影响。由于光纤本身对温度的灵敏度有限，故采用温敏液体乙醇对光纤最内层四个椭圆空气孔进行填充以提高光纤温度灵敏度。考虑到光纤结构参数值太小会加大光纤制造难度，同时受到光纤结构的限制，参数值也不能太大。综合考虑光纤结构限制、制造难度和光纤性能，选择 b1的取值范围为 0.300.59 m，d1的取值范围为 0.800.85 m进行数值计算。图 2光纤横截面Fig.2Cross section of optical fiber图 3PCF模式场分布Fig.3PCF mode field distribution赵丽娟，等：一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究020600452.1.1b1对双折射和温度灵敏度的影响研究包层椭圆率对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，设置光纤包层椭圆短轴 b1分别为三个典型值 0.30 m、0.44 m、0.59 m，其他结构参数保持不变。图 4（a）为 d1=0.80 m 时有效折射率随波长的变化关系，可通过 x、y偏振态对应有效折射率计算光纤的双折射系数。图 4（b）为 d1=0.80 m 时 b1对双折射的影响，可知，光纤双折射系数均在 102量级上，且随波长的增大呈减小的趋势。原因是光子晶体光纤在短波长区间对光波能量的限制能力比较强，而随着波长的增大，纤芯中的能量会有部分泄露进包层中，从而导致了双折射系数的减小。在 1 4002 500 nm 范围内，同一波长下，光纤的双折射系数随着 b1的减小而增大，这可归因于 b1的减小使得光纤 x偏振轴和 y偏振轴之间的结构不对称性增加。图 5为不同 b1条件下填充温敏液体乙醇后的光子晶体光纤双折射随温度的变化，可知光纤双折射系数随温度增加近似为线性增大，经线性拟合后的表达式见图 5，图中 B 表示光纤的双折射系数，T 表示环境温度，曲线斜率代表光纤的温度灵敏度。结果表明，在 075 温度范围内，减小 b1能够增大光纤的温度灵敏度。综上，光纤的双折射系数和双折射温度灵敏度均随 b1的减小而增大，但 b1的减小也增加了光纤制造难度。综合考虑光纤的性能和制造难度，选择 b1为 0.30 m。2.1.2d1对双折射和温度灵敏度的影响受光纤半径的限制，孔间距 d1要满足 d10.85 m，本节对孔间距 d1分别为典型值 0.80 m、0.83 m、0.85 m 时的光纤性能进行分析。由 2.1.1节可知，b1为 0.30 m 是最优选择，因此，本节在 b1=0.30 m 的情况下，对其他结构参数保持不变时 d1对光纤性能的影响进行分析。图 6（a）为在 1 4002 500 nm 波长范围，不同 d1对应光纤双折射系数随波长的变化。可知，同一波长下，光纤双折射系数随孔间距 d1的减小呈增大的趋势，这可归因于孔间距的减小使得包层中靠近纤芯的空气孔与纤芯模场之间的相互作用增大。图 6（b）图 4b1对有效折射率和双折射的影响Fig.4Effect of b1 on effective refractive index and birefringence图 5双折射随温度的变化Fig.5Variation of birefringence with temperature光子学报02060046为填充了乙醇的光子晶体光纤在不同 d1时对应双折射随温度的变化，该曲线的斜率代表其温度灵敏度，比较曲线斜率可知减小孔间距能够增大光纤的双折射温度灵敏度。综上，减小孔间距 d1能够增大光纤的双折射系数和双折射温度灵敏度，但随着孔间距的减小，包层中各层空气孔之间的距离减小，增大了光纤的制造难度。综合考虑光纤的制造难度和性能，选择孔间距d1为0.80 m。在提出的光纤结构中，从光子晶体光纤的双折射系数和填充后的光纤双折射温度灵敏度两个方面对 b1、d1带来的影响进行系统分析。最终选择 b1=0.30 m、d1=0.80 m，此时光纤的双折射系数在 1 550 nm 处能够达到 5.96102，双折射温度灵敏度能够达到 2.050 7105/。2.2填充材料对光纤双折射温度灵敏度的影响从温敏液体的填充方式、温敏液体的类型两个方面，分析对光子晶体光纤的双折射温度灵敏度的影响。2.2.1填充方式对温度灵敏度的影响光子晶体光纤一般由纯石英材料构成包层部分，包层中周期性排列空气孔，对温度不敏感。可以通过在空气孔中填充温敏液体来提高光子晶体光纤的灵敏度。二氧化硅的热光系数与乙醇等温敏液体相比差了两个数量级，因此在一定的温度变化范围内，光纤双折射的变化可认为由温敏液体的折射率随温度变化而导致的。图 7为在光纤空气孔内填充乙醇前后得到的双折射随波长的变化，可以看出光纤在填充乙醇后，双折射系数有所降低，但仍能达到 103量级。填充方式会影响光子晶体光纤的双折射温度灵敏度，本节分析了在上述确定的光纤结构基础上不同填充方式对应的光纤温敏特性。不同的填充方式如图 8，其中蓝色孔表示在空气孔中填充了乙醇液体，方式为选择性填充，对光纤最内层四个椭圆空气孔进行填充，方式为全填充。在工作波长为 1 550 nm，环境温度从 0 到 75 变化的条件下，分析这两种填充方式对应的光纤双折射温度灵敏度。图 6d1对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响Fig.6Effect of d1 on birefringence and fiber birefringence temperature sensitivity图 7填充乙醇前后双折射随波长变化Fig.7Variation of birefringence with wavelength before and after filling with ethanol赵丽娟，等：一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究02060047图 9为分别在两种不同填充方式条件下光纤双折射系数随温度的变化，可以看出，光纤双折射系数随温度增加近似为线性增大。方式较方式得到的光纤双折射系数有明显的降低，原因是乙醇的全填充造成光纤纤芯和包层之间的折射率差降低，从而使得光纤的双折射系数降低。采用方式进行填充的光纤双折射温度灵敏度高于方式，为 2.050 7105/，因此采用选择性填充方式得到的光子晶体光纤双折射温度灵敏度优于全填充方式。2.2.2填充液体类型对温度灵敏度的影响填充温敏液体的类型也会对光纤双折射温度灵敏度产生一定的影响。由 2.2.1节可知采用方式进行填充得到的光纤灵敏度最高，因此分别用乙醇、甲苯和聚甘油以方式对光纤进行填充，对比不同类型液体填充条件下光纤双折射系数随温度的变化。图 10为分别采用三种液体进行填充时光纤双折射随温度的变图 8液体填充方式Fig.8Liquid filling method图 9不同填充方式对应双折射随温度变化Fig.9Variation of birefringence with temperature corresponding to different filling methods图 10填充不同温敏液体对应双折射随温度变化Fig.10Variation of birefringence corresponding to filling different temperature sensitive liquids with temperature光子学报02060048化，对应的光纤双折射温度灵敏度如表 1。可知采用乙醇进行填充时，光纤双折射系数随温度在 0 75 范围基本呈现线性变化。采用甲苯和聚甘油进行填充时，双折射系数与温度在 0 75 区间内的线性相关度不如乙醇理想，且此时光纤的双折射温度灵敏度远低于采用乙醇填充时的灵敏度。综合考虑双折射与温度变化曲线的线性度以及光纤的双折射温度灵敏度，乙醇是更适合进行光纤填充的温敏液体。2.3最优结构及填充方式的验证考虑到多因素对光纤双折射系数和双折射温度灵敏度的影响，为了验证 2.1节和 2.2节确定的结构参数和填充方式，在 b1分别为 0.30 m、0.44 m、0.59 m，d1分别为 0.80 m、0.83 m、0.85 m 组成的 9种结构参数组合中，进行双折射系数和光纤双折射温度灵敏度数值分析，组合方式及其对应的结构参数如表 2。图 11为 9种结构参数组合所对应光纤在 1 550 nm 处的双折射值，可以看出第一种结构参数组合，即 b1=0.30 m、d1=0.80 m时光纤的双折射系数最大。图 12 为采用乙醇分别以方式、对 9种结构参数组合光纤进行填充时双折射随温度的变化情况，图中 19表示不同的光纤结构参数组合。表 2为 9种结构参数组合及其在对应液体填充方式下的光纤双折射温度灵敏度，能够看出在第一种结构参数组合即 b1=0.30 m、d1=0.80 m 基础上，将乙醇以方式进行填充能够获得最大温度灵敏度。综表 1不同温敏液体对应灵敏度和拟合度Table 1Corresponding sensitivity and goodness of fit for different temperature-sensitive liquidsTemperature sensitive liquidsEthanolToluenePolyglycerolSensitivity/（105-1）2.050 70.735 30.214 1R20.987 40.951 20.965 4表 2组合方式及其对应光纤双折射温度灵敏度Table 2Combination methods and their corresponding fiber birefringence temperature sensitivityCombinations123456789Structural parametersd1=0.80 m，b1=0.30 md1=0.80 m，b1=0.44 md1=0.80 m，b1=0.59 md1=0.83 m，b1=0.30 md1=0.83 m，b1=0.44 md1=0.83 m，b1=0.59 md1=0.85 m，b1=0.30 md1=0.85 m，b1=0.44 md1=0.85 m，b1=0.59 mMethod /（105-1）2.050 72.007 51.982 01.840 61.799 71.778 11.701 51.664 91.645 9Method/（105-1）1.836 91.803 71.790 81.614 51.578 41.595 61.641 11.508 21.640 5图 11不同结构参数组合对应双折射Fig.11Different combinations of structural parameters correspond to birefringence赵丽娟，等：一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究02060049上，当 b1=0.30 m、d1=0.80 m 时能够获得最大双折射系数和光纤双折射温度灵敏度，与 2.1节和 2.2节的结论吻合。2.4Sagnac型温度传感器性能分析根据本文提供的光纤设计方法能够设计出具有良好温敏特性的光子晶体光纤，所以 Sagnac型温度传感器采用所提出的新型结构光子晶体光纤。通过仿真对该传感器的性能进行分析，传感器原理如图 1。由式（2）可知，传感器中光子晶体光纤越长、双折射值越大，沿相反方向传输的两束光再次回到耦合器时彼此的相位差越大，干涉光谱跟踪响应的解调就越容易。但过长的光纤不利于提高传感器的实用性。本文所提供设计方法中光纤双折射值较大，使用较短光纤也能实现传感器的解调。综合考虑传感器的性能和实际应用，光子晶体光纤长度选择为 2 mm。将 PCF作为 Sagnac型温度传感器的传感元件，利用光纤双折射随温度变化进而导致透射谱的偏移实现传感。根据式（4）计算得到的传感器透射光谱如图 13，仿真结果表明，温度变化时输出透射谱会发生一定程度的偏移。以凹点为参考点，温度升高导致光纤的双折射值增大，进而由式（7）可知这将导致凹点向长波长方向移动，如图 13所示，温度从 0变化至 75过程中凹点发生红移。乙醇的沸点为 78.3，在实际应用中随着环境温度不断升高至接近乙醇的沸点，乙醇的蒸发在沸点附近变得剧烈，使光子晶体光纤的温度灵敏度受到影响，降低了波长偏移对温度的敏感性。综合考虑乙醇的沸点及工程应用需求，选择 075 作为传感区域对传感器的灵敏度进行分析，图 14为温度在 075 范围内凹点对应波长dip随温度 T 的变化。图 14（a）为采用线性方程对温度与波长的关系进行拟合的结果，R2为0.987 4。由线性拟合后的表达式可知此温度传感器的灵敏度为 11.28 nm/，平均测温误差为 2.256 5。图 12不同填充方式下不同结构参数光纤对应双折射随温度变化Fig.12Variation of birefringence with temperature for fibers with different structural parameters under different filling methods图 13不同温度下透射谱Fig 13The transmission spectrum with different temperature光子学报020600410图 14（b）为采用二次多项式对温度与波长关系拟合的结果，曲线在某点处的斜率代表该温度下传感器的灵敏 度，R2可 达 0.999 9，拟 合 一 致 性 较 好。根 据 拟 合 方 程 可 知 075 范 围 内 传 感 器 灵 敏 度 在 6.6215.94 nm/，0 时灵敏度最大，为 15.94 nm/，平均温度灵敏度为 11.28 nm/，平均测温误差为 0.126 9。由上述数据可看出，在 075 范围内波长随温度增加近似为二项式规律变化，采用二次拟合较之线性拟合R2从 0.987 4增加到 0.999 9，平均测温误差由 2.256 5降低到 0.126 9。综上，将所设计的高双折射高温度灵敏度光子晶体光纤应用于 Sagnac温度传感器中，能够在较大的测量范围内实现较高的温度灵敏度。2.5与现有 Sagnac型温度传感器的比较表 3为本文 Sagnac型温度传感器与典型 Sagnac型温度传感器在平均温度灵敏度、测量范围、传感器尺寸和拟合准确性方面的比较。可知，本文 Sagnac型温度传感器显示出更高的温度灵敏度，测量范围也得到了一定程度的扩大，且所使用的传感光纤较短，拟合准确性更高。本文温度传感器具有结构简便、测温范围广、灵敏度高的优势，为小型化大测量范围高灵敏度温度传感的实现和应用提供了一种有效的设计方案。3 光纤的可加工性随着光纤制造技术的发展，各种光纤制造方法已比较成熟，常用的方法包括堆拉法、3D 打印法、熔融刻蚀法以及溶胶-凝胶法27-30等。其中，2012年 El HAMZAOUI H 等30提出的溶胶-凝胶法能够灵活地改变光纤空气孔的形状、尺寸以及孔间距，通过这种方法可制造任意一种光子晶体光纤结构，因此得到广泛应用。本文设计的光子晶体光纤空气孔均为圆形和椭圆形，排列方式对称且有规则，圆形空气孔的制备已较为常见，虽然椭圆空气孔的制备有一定难度，但包含椭圆空气孔的光纤早在2004年就被成功制造，ISSA N A等31展示出一种克服光纤拉伸过程中表面张力、粘性应力、加热和压力效应作用的方法，解决了椭圆空气孔的塌陷敏感性问题。光子晶体光纤的填充包括选择性填充和完全填充，主要的选择性填充方法包括多次截断填充法、错位溶解填充法、飞秒激光辅助填充法、电弧放电填充法和直接选择填充法32-36等。实现光子晶体光纤的选择性填充已有制造实例，2002年，KERBAGE C 等32利用聚合物对光子晶体光纤进行选择性填充以获得高双折射特性，2004年，HUANG Yanyi等37利用多次截断法实现对光纤纤芯大孔的选择性填充。在进行本文所设计 Sagnac型温度传感器的光纤制备时，首先可通过溶胶-凝胶法制备光纤及其空气孔，通过溶胶-图 14凹点波长与温度的关系Fig.14Relationship between concave point wavelength and temperature表 3与现有典型 Sagnac型温度传感器比较Table 3Comparison with existing typical Sagnac temperature sensorSensorRef.23Ref.24Ref.25Ref.26ProposedSensitivity/（nm1）0.0687.545.425.77，8.4911.28Range/2070258520702585075L/cm25.46200.150.20R20.982 10.957 4，0.976 80.999 9赵丽娟，等：一种基于光子晶体光纤的高灵敏度 Sagnac型温度传感器建模研究020600411凝胶法合成柱形棒，然后利用叠加和拉伸工艺，将得到的柱形棒集成在 PCF结构中，一种在光纤拉制过程中的孔变形技术可被用于制造具有均匀定向椭圆孔的 PCF29，最后利用四乙基硅酸盐制备多孔光纤。其次可通过直接选择填充法进行光纤选择性填充，这种填充方法能够实现对任意空气孔的填充，不受空气孔尺寸、位置的影响。因此，在现有技术条件及制备方法下，可以完成本文所设计 PCF结构的制备和选择性填充。4 结论本文提供了一种基于光子晶体光纤的 Sagnac型温度传感器设计方法，通过对传感器中光子晶体光纤的分析和优化，实现传感器性能的提升。利用有限元法研究了光纤的结构参数对双折射系数和双折射温度灵敏度的影响，分析了不同填充方式、填充液体类型对光纤温敏特性的影响。结果表明，在工作波长为 1 550 nm时，光纤的双折射能够达到 5.96102，温度灵敏度能够达到 2.050 7105/。由仿真结果可知，基于该光子晶体光纤的 Sagnac型温度传感器在 075温度灵敏度范围为 6.62 15.94 nm/，利用二次多项式拟合方法对透射谱凹点波长和温度变化曲线进行拟合，该方式可使平均测温误差由 2.256 5降低到 0.126 9。且所使用光子晶体光纤长度较短，实用性强，有利于光纤温度传感器的小型化，同时提升其测量范围和灵敏度。参考文献1 YU Haihu，WANG Ying，MA Jian，et al.Fabry-perot interferometric high-temperature sensing up to 1 200 based on a silica glass photonic crystal fiber J.Sensors，2018，18（1）：273-281.2 HOU Maoxiang，ZHU Feng，WANG Ying，et al.Antiresonant reflecting guidance mechanism in hollow-core fiber for gas pressure sensing J.Optics Express，2016，24（24）：27890-27898.3 MITANI S，NIGO K，KARASAWA S，et al.Interferometric fiber-optic gyroscope using multi-core fiber J.Journal of Lightwave Technology，2019，37（21）：5525-5530.4 HOTATE K，HARUMOTO M.Resonator fiber optic gyro using digital serrodyne modulation J.Journal of Lightwave Technology，1997，15（3）：466-473.5 LIU Qiang，LI 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