光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用

定分析物，可以有效地推断光子晶体多孔层内分析物与材料的结合量
［4］。
通过衍射峰的位置变化来定量表征生物分子的相互作用为生物
传感提供了一个思路。 发展以光子晶体薄膜作为固相基底材料的免疫
分析技术，可望实时、有效、准确地检测抗原-抗体、酶-底物等的相互
作用,这在免疫分析、修复术组织工程以及药物释放体系的应用中具
率的相对变化与温度变化量的关系为 Δneff ＝βΔT。 其中 α 为材料的热 neff
膨胀系数，β 为热光系数。 因此峰值波长的位移与温度的变化关系为：
Δλ ＝（α＋β）ΔT，那么波长 λ
的位移与温度的变化成线性关系，通过
测量反射峰值波长的位移，可以实现对温度的测量。 如果在光子晶体
中引入较大的缺陷， 会由 于 F-P 效 应 导 致 反 射 光 谱 峰 发 生 规 则 的 分
图一 受均布压力后介质的变形情况
图二 压力对禁带的影响
2.2 温度传感
对于测量温度时，如果选择对外界环境量变化敏感的材料构成光
子晶体， 外界温度的变化将引起晶格常数 a 和介质的等效折射率 neff
发生微变化,反射谱峰值将产生微小位移,其变化关系可表示为：
Δλ ＝ Δa ＋ Δneff
λ
aBiblioteka Baidu
neff
而晶格常数的相对变化与温度的变化关系为 Δa ＝αΔT，等效折射 a
缺陷，如果它在包层光子晶体的光子带隙内能支持一个模式，该模式
将不能横向传播，而在轴向形成传导模，这种导光原理和常规光纤有
本质的不同，它允许光在折射率比包层低的纤芯（如空气芯）中传播。
3.2 基于孔内光和物质相互作用的传感器
1）气体传感器
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0.2dB。 在 05 年 OFC 会议上，A.D.Yablon 等利用渐变折射率光纤透镜
制 成 了 一 种 新 型 的 用 于 连 接 PCF 的 高 强 度(>100kpsi)熔 融 接 头 ，可 以
得 到 很 高 的 耦 合 效 率 （损 耗 小 于 0.6dB），这 种 接 头 不 仅 可 以 用 于 PCF
4．传 感 中 需 要 考 虑 的 问 题
4.1 耦合损耗：
由于存在微结构，光子晶体光纤中模场分布可能非常复杂，但其
模场分布仍然可以近似为高斯型分布，这样就可以用模场半径来估算
Λ Λ 2ωPCF ωSM
光子晶体光纤和单模光纤的耦合损耗:α＝－20log 2 2 ωPCF ωBM
式 中 ωSM 是 单 模 光 纤 的 模 场 半 径 ，ωPCF 是 光 子 晶 体 光 纤 的 模 场 半
［4］谈勇，杨可靖，曹跃霞等，聚苯乙烯光子晶体的制备 及 其 在 传 感 中 的 应 用[J].
化 学 学 报 ，2004，62（20）：2089-2092．
2.光 子 晶 体 传 感 器 2.1 应变传感
光子晶体的传感器模型国内已经有学者 在 ［1,2］ 进行研究。 其基本原 理是基于光子晶体是具有周期性结构的材料，那么组成光子晶体的材 料的介电性质及其空间排列方式决定了光子晶体的光传播性能。
对于一维光子晶体而言，当承受载荷时，引起光子晶体的形变（如 图一），进而导致其光子带隙性能的改变，从 而可以进行载荷的测量。 其原理是随着应变的增加，禁带的位置向短波方向移动，同时反射带 宽变小（如图二），这是由于光子晶体受到横向应力以后，使晶体每层 的介质变薄，其中心波长变短，从而导致整个光子晶体的禁带位置前 移。 应变与起始波长及截止波长之间是简单的线性关系，这样根据起 始波长及截止波长可推断出应变的大小，精度取决于对光波波长的测 量精度。 至于在光子晶体上施加纵向压力［3］，受力 后 光 子 晶 体 纵 向 被 压缩，而横向则被拉长，这样，导致了光子晶体每层的厚度增加，光程 变长。 同样可以根据禁带的起始波长和截止波长的位移来测量所施加 应力的大小。
大多数光子晶体光纤实验中，都是采用体光学器件（如普通透镜）实现
光路耦合。 熔接耦合与采用透镜耦合相比，前者具有更低的回波损耗，
而且准直过程可以自动完成；而后者的光学表面暴露在外，容易受到
污染或破坏。 在早期进行的 PCF 与普通单模光纤的熔接实验中，损耗
相当大 （1550nm 处约 1.5dB）， 尽管理论研究表明熔接损耗可以降至
1．引 言 20 世 纪 80 年 代 ，John 和 Yablonovitch 提 出 了 光 子 晶 体 材 料 这 种 新材料,它是一种具有一维、二维或三维周期性结构的人造材料,由于 光 带 隙 （photonic band gap）的 存 在 ，禁 止 在 某 段 频 率 范 围 内 电 磁 波 的 传播。1995 年，Birks 等首先分析并指出由石英和空气孔组成的二维光
2008 年 第 31 期
大部分光子晶体光纤气体传感器采用的是实芯光子晶体光纤，其 纤芯是硅材料，包层是空气微孔，通过测量包层气孔中的消逝场同被 测气体相互作用后光强的变化， 可以测得被测气体的种类和浓度。 2004 年， 香港理工大学的靳伟博士等人基于于此 原 理 设 计 了 一 种 全 光纤气体传感器 ［5］（如图三）， 并测了这种传感 器 的 响 应 时 间 和 灵 敏 度。 由于包层中的空气孔太小，气体扩散进入气孔需要一段时间，从而 导致了响应时间较长，使传感器的灵敏度受到了限制。
子晶体结构中可以出现光子带隙。 而真正意义上能够实现光在空气芯 中传输的光子带隙光纤则是 1999 年在 Science 报导的。 而光子晶 体 光纤 PCF（photonic crystal fiber）的概念最早是 由 P.St.J.Russell 等 人 于 1996 年在 OFC 会议上首次提出。 它是一种新型光纤，在它的包层区域 有许多平行于光轴的小孔。
随着晶体光纤制备技术的提高， 我们可根据上述原理制作出新 的、灵敏度更高的气体传感器。
图三 全光纤气体传感原理图
2）温度传感器 光子晶体内有气孔，因此可在气孔内填充其他诸如液体、气体等 材料，用光谱法或者折射法监测分析这些材料光学性质（如折射率、吸 收 、荧 光 辐 射 ）的 变 化 ，这 种 传 感 器 的 优 点 是 ：1.可 以 利 用 较 长 的 光 纤 来 增 加 光 和 样 品 的 作 用 长 度 。 2. 光 场 和 样 品 材 料 的 重 叠 率 可 接 近 100%，因此可以监测到样品材料性质的微小变化。 如果填充的材料为 高折射流体，可使这种混合材料的光纤成为光子带隙光纤，当改变外 界环境的温度时，会使其光子带隙发生变化，可由此进行温度的传感。 3.3 双模光子晶体光纤传感器 高双折射双模光子晶体光纤支持四个稳定模态， 即 LP01 模的两 个偏振态和 LP11 的两个偏振态， 这四个模态在同一光纤中沿着不同 的路径传输，如果我们使同一偏振方向的不同模式或者同一模式的不 同偏振态进行干涉，即模式干涉或者偏振干涉。 由于模式或偏振态之 间的相位差受环境温度、应变及其他因素的影响，因此这种双模光子 晶体光纤可以用来测量温度、应变或同时测量多个物理量。 工作原理（如图四）是基于光纤中 LP01 模和 LP11 之间的干涉［6］。 从半导体激光器输出的激光被首先准直，然后通过起偏器，在通过透 镜聚焦后耦合到光子晶体光纤。 一个近红外 CCD 摄象头位于光纤的 出射端面用于检测输出的远场光强分布。 光子晶体光纤一端被固定， 另一端则固定在数控微动台上用于在光纤上施加轴向应变。 在测试 前，调整入射条件，使入射光的聚焦点对准光纤的轴心，保证得到较好 的干涉信号。 由于模式的干涉，在光纤远场会观测到出射强度分布随 着两个模式之间的相位差的变化而变化。
【关键词】传感器；光子晶体；光子晶体光纤 The Application Of PC And PCF In Sensor Wang xiang-yu
（Xi’an shi you university Shan Xi Key laboratory Of Photoelectric Sensing Logging ） 【Abstract】The current research situation of photonic crystal sensor in our country was decribed and the sense theory was analysed in the thesis. And the sense principle of photonic crystal fiber and three kinds of photonic crystal fiber sensor were researched. In addition, two factors which should be taken in account in sensing are been pionted out. Finally, the methods how to solve it were been brought forward. 【Key words】sensor；ptotonic crystal（PC）；photonic crystal fiber（PCF）
有相当重要的意义。
3.光 子 晶 体 光 纤 传 感 器
3.1 导光机理
PCF 基 本 上 可 以 分 为 两 类 ，即 折 射 率 导 光 （index-guiding）和 光 子
带隙导光两类。 折射率导光型光子晶体光纤的芯区是石英，包层是多
孔结构（空气孔不必周期性排列），包层中的空气孔降低了包层的有效
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光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用
王向宇 （西安石油大学 陕西光电传感测井重点实验室 陕西 西安 710000）
【摘 要】本文阐述了国内光子晶体传感器的研究现状，分析了传感原理。 研究了光子晶体光纤的传感原理以及三种光子晶体光纤传感器， 叙述了在传感中需要考虑的两个问题，并提出了解决的办法。
裂，谱线宽度明显变窄，出现更精细的谱线结构，那么测量的结果就更
加准确。
2.3 化学传感
光在聚苯乙烯光子晶体中传播时，强烈的衍射效应限制了光的透
射,出现衍射峰，衍射峰峰波长的位置决定于光子晶体材料相邻孔的
中心距和平均折射率，而平均折射率依赖于光子晶体多孔层各组成成
分的折射率及其体积分数。 这样可以通过衍射峰的位置变化来定量测
径，可由结构参数 d Λ 和 Λ 根据下式得到：
Λ Λ Λ ΛΛ Λ Λ Λ ωPCF ＝
Λ
－0．549
d Λ
＋0．8562
＋
0．00837
d Λ
－3
＋0．0452
（λ ） Λ
4.2 熔接问题
限制光子晶体光纤器件发展的一个重要因素是，利用传统技术很
难甚至在很多情况下不可能将它们与普通光纤熔接起来。 在已进行的
折射率，从而满足“全反射”条件，光被束缚在芯区内传播，这种光纤的
导光机理和普通光纤的导光机理相一致。 而光子带隙光纤包层中的孔
则是周期性排列，形成二维光子晶体，这种二维周期性折射率变化的
结构不允许某些频段的光在垂直于光纤轴的方向传播，形成二维光子
带隙。 光子带隙光纤的纤芯可以认为是二维光子晶体光纤的一个线状
间 的 结 合 （包 括 空 心 PCF 和 实 心 PCF 间 的 结 合 ）， 而 且 还 可 以 用 于
PCF 与常规光纤间的结合。
5.结 束 语
随着对光子晶体理论上的基础研究和对其新效应、 新现象的发
现，必将对光子晶体传感器的制作和研究带来新的突破。 科
●
【参考文献】
［1］ 许 震 宇 ,张 若 京 ,龚 益 玲 ,光 子 晶 体 压 力 传 感 器 的 基 本 原 理 [J]. 物 理 学 报 ,2004,
33(1):134-137.
［2］娄 淑 琴 ，王 智 ，王 目 光 等 ， 一 维 光 子 晶 体 传 输 特 性 及 其 在 光 传 感 器 中 的 应 用
[J]. 光 电 子·激 光 ,2003,14(11):1152-1156．
［3］ 袁 纵 横 ， 光 子 晶 体 压 力 传 感 器 研 究 [J]. 传 感 器 技 术 ．2005，24（11）：27-29．