光子晶体光纤压力信号检测

2008年第3期重庆三峡学院学报No.3.2008第24卷（110期）JOURNALOFCHONGQINGTHREEGORGESUNIVERSITYVol.24No.110收稿日期：2008-02-27作者简介：余先伦（1967-），男，重庆梁平人，重庆三峡学院副教授，主要从事激光器、光纤通信、等方面研究.基金项目：本文系重庆市教委和重庆三峡学院课题资助项目.-21-光子晶体光纤压力信号检测余先伦（重庆三峡学院物理与电子工程学院光电信息技术实验室，重庆万州404000）摘要：光子晶体光纤具有压力敏感性.分析了光子晶体光纤中光信号传播时相位随外界压力变化的关系，提出了一种测量光子晶体光纤传输信号的自动化系统.光子晶体光纤可广泛用于光纤传感系统中.关键词：光纤光学；光子晶体光纤；压力中图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1009-8135（2008）03-0021-031引言光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber，PCF)的导光机制有两类:全反射限制和带隙限制.全反射限制的光子晶体光纤的导光原理与常规光纤依赖于光在纤芯包层界面全内反射的传输原理相似，而带隙限制的光子晶体光纤中光的传播是基于二维折射率周期变化的介质结构所形成的光子带隙对缺陷中光的约束，世界上第一根全反射限制的光子晶体光纤和第一根带隙限制的光子晶体光纤分别于1996年和1998年研制成功.[1-3]标准的PCF制作方法是对石英管棒反复堆积拉丝而成，这种制作方法可以很容易地按要求设计出PCF的结构参量如孔距、孔径孔距比，实现PCF独特的光学传输特性，并可以广泛用于偏振控制器、传感器、滤波器及各种有源无源光器件中.与传统光纤相比，PCF芯层与包层有较高的折射率对比，在外界压力作用下，PCF的结构、PCF横向折射率分布等会发生变化，使PCF中传播光脉冲相位和模式双折射发生改变，光子晶体光纤可用作光纤压力传感器中的敏感元件.[4,5]2PCF压力特性光纤对外界环境因素十分敏感，温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光波参量如强度、相位、频率、偏振态的变化，如果能测出光波参量的变化就能得到导致这些光波参量变化的温度压力电场和磁场等物理量的大小.当静压力作用在光纤表面时，因为光纤几何结构纤芯将产生各向异性的应力，通过光弹性效应，压力致双折射结果可直接用来测量受到的压力，可通过有限元方法证明边孔光纤压力敏感性依赖于光纤结构.对于一个长度为L的本征光子晶体光纤考虑径向压力作用，其相位敏感性表达式为21112221[[(1)]]121pnCppLpEφγγγβγγ∆−=++−∆−−i（1）余先伦：光子晶体光纤压力信号检测-22-2121112[1[()]]2EnCpppLφβγ∆=−−+∆（2）其中φ∆表示相位波动量，,pL∆∆表示自外界压力变化和光子晶体光纤长度改变量，pC和EC是经验因子它们是包层材料的函数，β单模光纤传播波矢，n主折射率，,Eγ是光纤泊松系数和杨氏模量，1112,pp光纤光弹系数.（1）和（2）表达式表明了光电探测方面的两个基本原理，第（2）个式子表明光程差的变化与光纤几何伸长量成正比，比例常数大约在0.8量级，光纤是一个应力计量计，敏感度为710/radm，第（1）式表明光纤的机械特性与光纤径向应力和轴向应变相联系，它们可以转换为相等的光程量，根据（1）式和（2）式可得LpLpφφ∆∆∆=∆∆∆（3）（3）式当压力作用于PCF时，PCF中传播的光信号其相位波动与压力变化的关系.可通过光弹性方程计算折射率波动量，再FEM方法计算边孔光纤的压力致应力，假定应力致折射率波动很小,0xynn∆，在不变纵向波动情况下，描述模场分布的表达式可得到，传播常数的变化量是2,0,02()xxyAxyAnnEdAEdAββ∞−=+∫∫（4）其中0β是非扰动传播常数，,xyn扰动折射率，0n固有折射率，2/kπλ=，λ自由空间波长，A光纤横截面积，E电场分布，则光纤双折射可以简单的通过下式计算xyβββ∆=−（5）这样把（5）式代入（1）式（2）式，再代回（3）式即可计算出具体的相位波动与压力变化值，其变化关系可用图1表示.0102030405060-500-1000-1500-2000-25000Pressure(MPa)Birefringence(rad/m)图1压力致双折射图光子晶体光纤的双折射可采用图2装置进行测量，PCF头由一个与边孔光纤偏振轴成/4π角的输入光纤偏振器组成，PCF末端安装一个光纤镜以增加反射功率，在PCF头压力致双折射采用一个匹配的低相干干涉仪监测，测量波长可用1300nm，静压力可通过一种液体媒质传递作用.LEDRef.LaserDetectorTemperatureScanofHBfiberSide-holefibersensorMirrorHighpressureSinglemodefiberFiberpolarzerCouplerReadoutinterferometer图2测量光子晶体光纤双折射的装置图3压力信号检测系统假定光子晶体光纤单模运转，两个正交偏振模01xLP和01yLP在PCF中传播有各自不同的传播常数xβ和yβ，PCF的一个参量是相位模式双折射n∆重庆三峡学院学报-23-其定义为()2xynλββπ∆=−（6）外部参量作用于这种元件导致正交偏振模间初始相位的漂移变化，这种相位漂移可以采用干涉法测量，与给定测量对象相对应的光纤特征参量是敏感度其定义为xKXLϕ∆=∆（7）L光纤长度，ϕ∆是由X∆引起测量对象改变引起的相位漂移，其与模式双折射关系为2xnKXπλ∂∆=∂（8）根据第（8）式光子晶体光纤压力信号探测可采用图3进行激光器光耦合器光耦合器光电探测器透镜透镜参考光纤测量光纤压力场图3相位调制型压力智能检测系统SignalprocessingS1S2S3S4R1R2R3R4A1A2A3A4D1D2D3D4图4解码系统结构图光电探测器探测到的信号可通过图4进行解码.每个探测信道的这个干涉现象仅在传感器的光程差被补偿石英晶片引入的光程差补偿时发生，第i个探测信道记录的强度可表示为0[10.5()sin()]iiisQsQIIRRγφφ=+−−（9）sR传感器引入的光程差，iQR补偿的光程差，iQφ∆是由石英片在连续信道中引入的相位漂移，它们相差/4π.在这个解码方案里测量范围与光源的光谱宽度有关，假设光源光谱形状为Gaussian形，则00exp(())22sQRRδλπγλλ∆−∆=−，δλ为光谱线宽.电路系统恰当运转构成数字脉冲要求干涉信号振幅大于平均强度的10%，这等价于下列条件成立：02.532SQRRλπδλ∆−∆.在压力作用下，PCF输出端相位漂移可表示为0()()PPsSHSHECECTTSHSHECECKLKLpKLKLTφφ∆=−∆+−∆+∆（10）压力引起的相位漂移由石英延迟板和分析仪组成的解码干涉仪探测，它们的偏振轴成45度，延迟板由两个可移动的劈组成，根据（9）式和（10）式，在PCF中压力输出曲线如图所示.PressureOutput(V)图5PCF压力输出曲线00.511.522.533.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8100.511.522.533.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81()qIRqqqRdN=∆图6经石英平板后PCFPCF输出强度曲线为了最佳测量PCF压力曲线，可以改变石英板的厚度调节初始相位漂移直到系统运行在正弦特性最佳线性部分，如图6所示.解码后信号可以经过下面步骤进行自动化处理，如图7所示电流/电压转换器放大器带通滤波器采样保持A/D转换计算机图7信号处理系统图把通过图4解码后的信号经电流和电压转换放大后，通过滤波器滤波再对信号采样，采样后的离散信号经模数转换后输入到计算机中（下转35页）重庆三峡学院学报-35-空间的信道容量，而遗传算法成功地解决了该问题.参考文献：[1]C.E.Shannon.AMathematicTheoryofCommunication,[J].BellSyst.Tech.J.Vol.27pp.379-423,1948.[2]Arimoto,suguru.Analgorithmforcomputingthecapacityofarbitrarydiscretememorylesschannels[J].IT18(1972),14-20.[3]Blahut,Richard.Computationofchannelcapacityandrate-distortionfunctions[J].IT18(1972),460-473.[4]周明，孙树栋.遗传算法原理及应用[M].北京：国防工业出版社.1999.[5]朱雪龙.应用信息论基础[M].北京：清华大学出版社，2001.[6]唐贵，鲁珊珊，李泰.利用改进的回溯算法求解3着色问题[J].重庆工学院学报（自科版），2007(12).（责任编辑：冯天祥）GeneticAlgorithmandItsApplicationinInformationTheoryZHANGChun-Tao(CollegeofMathematicsandComputerScience,ThreeGorgesUniversity,404000,Wanzhou)Abstract:Therearemanyproblemsininformationtheoryalthoughithasdevelopedforyears,forexample,theproblemofcomputingthecapacityofarbitrarydiscretememorylesschannels.Geneticalgorithmisnon-numericaloptimizationalgorithm,anditscomputationalcomplexityisnotrelatedtothescaleoftheproblem.Andthegeneticalgorithmissuccessfullyappliedtocomputingthecapacityofarbitrarydiscretememorylesschannels.Atlastthenumericalexperimentationsshowthatthegeneticalgorithmisefficientforthisproblem.Keywords:informationtheory;thecapacityofchannel;geneticalgorithm;real-coded.（上接23页）就可以自动处理了.4结论在外界压力作用下，PCF的结构、PCF横向折射率分布等会发生变化，使PCF中传播光脉冲相位和模式双折射发生改变，因此光子晶体光纤具有压力敏感特性，能广泛用于光纤压力传感器中.参考文献：[1]J.C.Knight,T.A.Birks,P.St.J.Russelletal，“All2silicasingle-modeopticalfiberwithphotoniccrystalcladding”，Opt.Lett.,1996,21(19):1547～1549[2]CreganRF,ManganBJ,KnightJCetal.Single-modephotonicbandgapguidanceoflightinair[J].Science,1999,285(5433):1537～1539[3]BirkTA,NightJC,etal.“Endlesslysinglemodephotoniccrystalfiber”，OptLett,1997,22(13):961-963.[4]J.R.Clowes,S.Syngellakis,M.N.Zervasetal.，“pressuresensitivityofside-holeopticalfibersensors”,IEEEPhoton.