CN210775904U - 温度传感光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种温度传感光子晶体光纤，包括背景材料，以及置于背景材料中的外包层、纤芯、椭圆孔结构、小圆形空气孔结构、大圆形空气孔结构；本实用新型的温度传感光子晶体光纤，提高温度灵敏度，增大温度传感范围；通过设计新型的光子晶体光纤结构﹑选用合适温敏材料甲苯，实现了高灵敏度﹑更广范围的温度传感效果；消除传统光纤温度传感器存在的偏振态漂移、模间干扰等问题；采用双芯结构的温度传感光纤，可对该类问题起到抑制作用，以达到更好的温度测量效果。
Description
技术领域
本实用新型属于光子晶体光纤技术领域，具体涉及一种温度传感光子晶体光纤。
背景技术
电力系统﹑航空航天﹑医疗﹑化工等环境需要测温设备具有高精度与强抗干扰能力，传统的热电偶式﹑热敏电阻式等温度传感器已很难满足该类领域的温度测量需求，光纤温度传感器由于较传统温度传感器具有灵敏度高﹑响应快、防爆、防燃、抗电磁干扰等优势，更能适应现代不断提高的温度测量要求。一般来讲，光纤温度传感器由光源、敏感元件、光探测器、信号处理系统等部分组成。其基本原理是：
光源入射的光进入调制区；
光在通过调制区的光纤时与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光；
被调制的信号光出射进入光探测器、解调器而获得被测参数，从而得出温度的变化情况。
由于普通光纤的材料与结构较为固定，其温度传感性质难以发生改变，导致其灵敏度﹑传感范围等性能很难有大的提升；使得普通光纤的温度传感特性不佳，温度灵敏度较低。
传统单芯光纤结构容易产生偏振态漂移、模间干扰等问题，影响对温度的测量；使得存在的偏振态漂移、模间干扰等问题，影响温度测量。
传统光纤温度传感器的传感单元为普通光纤，其感温效果受光纤结构与材料的限制，有待进一步提升。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。
发明内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种温度传感光子晶体光纤。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
温度传感光子晶体光纤，包括背景材料；置于背景材料中的：
外包层；外包层形成为两层周期性排列的正八边形空气孔结构；
纤芯；纤芯置于外包层的中心；
椭圆孔结构；椭圆孔结构置于外包层内部区域，椭圆孔结构包括两个椭圆孔，两个椭圆孔对称的分布在纤芯的两侧，椭圆孔中填有温敏液体；
小圆形空气孔结构；小圆形空气孔结构置于外包层内部区域，小圆形空气孔结构包括四个小圆形空气孔，四个小圆形空气孔在同一直线上设置，四个小圆形空气孔对称的分布在纤芯的两侧，小圆形空气孔结构与椭圆孔结构垂直；
大圆形空气孔结构；大圆形空气孔结构置于外包层内部区域，大圆形空气孔结构包括四个大圆形空气孔，四个大圆形空气孔均匀的围绕纤芯分布，且每个大圆形空气孔均置于一个椭圆孔与位于纤芯一侧的两个小圆形空气孔之间。
优选地，温敏液体为甲苯。
优选地，椭圆孔短轴长度为1um；椭圆孔长轴长度为2.4um；
大圆形空气孔直径为2um；
小圆形空气孔直径为1um；
外包层中两层空气孔之间的间距最小为2.5um；
外包层中空气孔的直径为1.4um；
纤芯空气孔的直径为1.4um；
光子晶体光纤的直径为20um。
优选地，纤芯中心至任意一个椭圆孔中心的距离为2.5um；
纤芯中心至任意一个大圆形空气孔中心的距离为
纤芯中心至任意一个最近小圆形空气孔中心的距离为1.8um；
位于纤芯同一侧的两个小圆形空气孔中心的距离为1.8um；
远离纤芯的小圆形空气孔中心与其处于同一直线上的外包层的一个空气孔中心的距离为1.4um；
位于靠近纤芯的小圆形空气孔两侧的大圆形空气孔中心的距离为3.6um。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的温度传感光子晶体光纤；
1、提高温度灵敏度，增大温度传感范围；通过设计新型的光子晶体光纤结构﹑选用合适温敏材料甲苯，实现了高灵敏度﹑更广范围的温度传感效果。
2.消除传统光纤温度传感器存在的偏振态漂移、模间干扰等问题；采用双芯结构的温度传感光纤，可对该类问题起到抑制作用，以达到更好的温度测量效果。
附图说明
图1为本申请的截面结构示意图；
图2为本申请中不同温敏液体的温度-双折射曲线，其中(a)为填充乙醇作为温敏液体；其中(b)为填充甲苯作为温敏液体；其中(c)为填充甘油作为温敏液体；其中(d)为填充三氯甲烷作为温敏液体；
图3为Sagnac型保偏光子晶体光纤温度传感器结构；
图4为温度在20℃与25℃时该光子晶体光纤的透射谱；
附图标记说明：
1-外包层；2-大圆形空气孔；3-椭圆孔；4-纤芯；5-小圆形空气孔。
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。
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
如图1所示，
温度传感光子晶体光纤，包括背景材料；置于背景材料中的：
外包层1；外包层1形成为两层周期性排列的正八边形空气孔结构；
纤芯4；纤芯4置于外包层1的中心；
椭圆孔结构；椭圆孔结构置于外包层1内部区域，椭圆孔结构包括两个椭圆孔3，两个椭圆孔3对称的分布在纤芯4的两侧，椭圆孔3中填有温敏液体；
小圆形空气孔结构；小圆形空气孔结构置于外包层1内部区域，小圆形空气孔结构包括四个小圆形空气孔5，四个小圆形空气孔5在同一直线上设置，四个小圆形空气孔5对称的分布在纤芯4的两侧，小圆形空气孔结构与椭圆孔结构垂直；
大圆形空气孔结构；大圆形空气孔结构置于外包层1内部区域，大圆形空气孔结构包括四个大圆形空气孔2，四个大圆形空气孔2均匀的围绕纤芯4分布，且每个大圆形空气孔2均置于一个椭圆孔3与位于纤芯4一侧的两个小圆形空气孔5之间。
在一些实施例中，温敏液体为甲苯。
在一些实施例中，椭圆孔3短轴长度为1um；椭圆孔3长轴长度为2.4um；
大圆形空气孔2直径为2um；
小圆形空气孔5直径为1um；
外包层1中两层空气孔之间的间距最小值Λ为2.5um；
外包层1中空气孔的直径为1.4um；
纤芯4空气孔的直径为1.4um；
光子晶体光纤的直径D为20um。
如图1所示，纤芯4中心至任意一个椭圆孔3中心的距离d为2.5um；
纤芯4中心至任意一个大圆形空气孔2中心的距离d1为
纤芯4中心至任意一个最近小圆形空气孔5中心的距离d2为1.8um；
位于纤芯4同一侧的两个小圆形空气孔5中心的距离d3为1.8um；
远离纤芯4的小圆形空气孔5中心与其处于同一直线上的外包层1的一个空气孔中心的距离d4为1.4um；
位于靠近纤芯4的小圆形空气孔5两侧的大圆形空气孔2中心的距离d5为3.6um。
在一些实施例中，四个大圆形空气孔2围成矩形；
在一些实施例中，背景材料为SiO2；
本申请温度传感光子晶体光纤的长度小于传统光纤传感单元，温度传感区间为-90℃-105℃，适于传感区间内的高灵敏度温度传感。
本申请是设计陈液体填充型光子晶体光纤，填充液的性质对光纤的温度传感效果具有很大影响。此处对几种具有较高热光系数的液体进行比较分析，下表列出了几种对温度传感具有较大影响的参数，包括熔沸点﹑热光系数与20℃﹑入射波长为1550nm时材料的折射率。
利用有限元法对填充甲苯、乙醇﹑三氯甲烷和甘油时光子晶体光纤的温敏特性进行研究分析，得到填充不同种类温敏液体光子晶体光纤的双折射随温度的变化关系，如图2所示：
由图2可见，填充甲苯时其双折射随温度的变化曲线基本呈线性关系，且此时η(η为双折射变化量与温度变化量的比值)的值较填充甘油或乙醇的大，比填充三氯甲烷时η的值稍小。将填充温敏液体的光子晶体光纤应用于温度传感器时，还需考虑到温敏液体的熔沸点对温度传感范围的影响。由上表可知甲苯的熔点低于三氯甲烷，且沸点高于三氯甲烷，所以填充甲苯较填充三氯甲烷能获得更广的线性温度测量范围。综合比较，选用甲苯作为光子晶体光纤的填充液体。
将此光子晶体光纤作为Sagnac型干涉仪的敏感元件，构成Sagnac型保偏光子晶体光纤温度传感器，该温度传感器基于光束干涉原理，将光源发出的同一束光分解为两束，并将这两束光沿着同一光路相反方向循环一周后，在屏幕上产生干涉条纹，通过在传感器中加入本申请所设计的双芯光子晶体光纤，使得两束正交偏振光的光程差发生变化，导致光谱的偏移，通过计算偏移量的大小来求解光的相位改变量，从而实现温度的传感。其具体结构如图3所示，宽谱光源发出的光经3dB耦合器分为两束相干光，在沿着相反的光路传输后，经过相干叠加进入光谱分析仪，得出输出光谱，再根据透射光谱随温度的变化关系得出温度传感器的灵敏度。
设定波长范围为1450nm～1650nm﹑光纤长度为1cm，在工作波长为1550nm时进行仿真计算，分别得出温度为20℃与25℃时该PCF的透射谱，结果如图4所示，温度变化导致透射谱波谷上的参考点由P点偏移到了P*点，当环境温度变化5摄氏度时(对应图4中M、N的变化)，输出光谱移动近48nm，而灵敏度的大小可由公式S＝Δλ/ΔT来决定，得出该PCF的灵敏度约为9.6nm/℃。
通过仿真验证，得到具有高灵敏度的光子晶体光纤结构设计，其优点如下：
灵敏度达9.56nm/℃，比已有同类研究高两到三倍。
温度传感区间为-90℃～105℃，较常用的乙醇填充型温度传感PCF高30℃左右。
无传统光纤温度传感器的偏振态漂移﹑模间干扰等问题，所受干扰较小。
本申请中：
1.具有高温度灵敏度。通过特殊的光子晶体光纤结构设计使其实现较高双折射，结合掺入光子晶体光纤双芯中具有高热光系数的液体甲苯，得到具有高温度灵敏度的PCF，其灵敏度约为9.6nm/℃。
2.无偏振态漂移、模间干扰等问题对温度测量造成的干扰。采用双芯光子晶体光纤作为温度传感器的敏感元件，使整体结构具有高双折射特性，加强偏振保持能力，可有效解决传统光纤温度传感器偏振态漂移、模间干扰的问题。
3.温度传感范围更高。采用甲苯作为填充液体，提高光子晶体光纤的温度传感范围，其温度传感范围约为90℃-105℃。
4.易于集成化与微型化。由于光子晶体光纤中填入了高温敏材料，使该光纤对温度的敏感性大大提升，在较小的传感长度下即能达到较好的温度传感效果。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (4)
1.温度传感光子晶体光纤，包括背景材料；
其特征在于，还包括置于背景材料中的：
外包层；外包层形成为两层周期性排列的正八边形空气孔结构；
纤芯；纤芯置于外包层的中心；
椭圆孔结构；椭圆孔结构置于外包层内部区域，椭圆孔结构包括两个椭圆孔，两个椭圆孔对称的分布在纤芯的两侧，椭圆孔中填有温敏液体；
小圆形空气孔结构；小圆形空气孔结构置于外包层内部区域，小圆形空气孔结构包括四个小圆形空气孔，四个小圆形空气孔在同一直线上设置，四个小圆形空气孔对称的分布在纤芯的两侧，小圆形空气孔结构与椭圆孔结构垂直；
大圆形空气孔结构；大圆形空气孔结构置于外包层内部区域，大圆形空气孔结构包括四个大圆形空气孔，四个大圆形空气孔均匀的围绕纤芯分布，且每个大圆形空气孔均置于一个椭圆孔与位于纤芯一侧的两个小圆形空气孔之间。
2.根据权利要求1所述的温度传感光子晶体光纤，其特征在于：温敏液体为甲苯。
3.根据权利要求1或2所述的温度传感光子晶体光纤，其特征在于：
椭圆孔短轴长度为1um；椭圆孔长轴长度为2.4um；
大圆形空气孔直径为2um；
小圆形空气孔直径为1um；
外包层中两层空气孔之间的间距最小为2.5um；
外包层中空气孔的直径为1.4um；
纤芯空气孔的直径为1.4um；
光子晶体光纤的直径为20um。
4.根据权利要求3所述的温度传感光子晶体光纤，其特征在于：
纤芯中心至任意一个椭圆孔中心的距离为2.5um；
纤芯中心至任意一个大圆形空气孔中心的距离为
纤芯中心至任意一个最近小圆形空气孔中心的距离为1.8um；
位于纤芯同一侧的两个小圆形空气孔中心的距离为1.8um；
远离纤芯的小圆形空气孔中心与其处于同一直线上的外包层的一个空气孔中心的距离为1.4um；
位于靠近纤芯的小圆形空气孔两侧的大圆形空气孔中心的距离为3.6um。
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|---|---|---|---|---|
| CN110687629A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-01-14 | 西南科技大学 | 温度传感光子晶体光纤 |
| CN112629704A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-04-09 | 上海金智晟东电力科技有限公司 | 一种蜂窝型保偏光子晶体光纤及温度传感器 |
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