摘要 对国内外已报道的基于光子晶体光纤环镜的光纤传感器进行了综述。总结了多种基于光子晶体光纤环镜的光纤传感器，包括应力、温度、微弯、扭曲和气压传感器。介绍了各种传感器的原理和优势，并对基于光子晶体光纤环镜的光纤传感器的发展进行了展望。
关键词 光纤光学；高双折射光子晶体光纤；低双折射光子晶体光纤；光纤环镜；光纤传感器
１ 引 言
光子晶体光纤（ＰＣＦ）也称微结构光纤，是近年的研究热点［１，２］。典型的ＰＣＦ 包含很多沿光纤轴向分布的空气孔，因此可以通过改变空气孔的大小、形状、位置以及分布得到具有不同优良特性的传输光纤。ＰＣＦ已在众多领域得到了很好的应用［３～７］。
光纤环镜（ＦＬＭ）广泛应用于光纤通信［８，９］与传感装置［１０～１４］中。光纤环镜可由一根保偏光纤和一个３ｄＢ耦合器组成。入射光由３ｄＢ耦合器分为两个反向传输的光信号，两束光经过保偏光纤后产生相位延迟，当它们再次进入３ｄＢ耦合器时发生干涉，光谱形成明暗相间的条纹，即表现出梳状滤波的特性，而外加应力、温度等物理量可以改变ＦＬＭ 的光程差，所以ＦＬＭ 可以作为传感单元。此外在ＦＬＭ 中，两个反向传输的光经过同一根光纤发生干涉，由于经过的环境完全相同，因此可以有效消除外界干扰。最近一些基于ＰＣＦ的ＦＬＭ 被提出并广泛应用于多种光纤传感器中［１５～２０］。本文总结了多种基于高双折射（ＨｉＢｉ）光子晶体光纤环镜（ＰＣＦＦＬＭ）和低双折射（ＬｏＢｉ）ＰＣＦＦＬＭ 的光纤传感器，包括应力［１５，１６］、气压［１７］、温度［１８］、微弯［１９，２０］和扭曲［２１］等光纤传感器，并介绍了ＰＣＦＦＬＭ 光纤传感器的最新进展。
2 ＦＣＦＦＬＭ 传感器应用
2．１ 基于温度不敏感应力传感器
图２给出了ＨｉＢｉＰＣＦＦＬＭ 应力传感器［１５］的实验装置。实验所用ＨｉＢｉＰＣＦ由ＢｌａｚｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ提供，
图２插图给出了其截面。两个相互垂直的模场直径分别为３．６，３．１μｍ。ＰＣＦ 的双折射在光波长１５５０ｎｍ处约为８．６×１０－４。ＨｉＢｉＰＣＦ 两端与普通ＳＭＦ 熔接。由于ＰＣＦ 与ＳＭＦ 的模场半径与数值孔径的不匹配，ＰＣＦ每一端与ＳＭＦ 间的熔接存在较大损耗（约为３ｄＢ），可以通过预拉锥工艺减少熔接损耗。整个ＦＬＭ 插入损耗约为６ｄＢ。以宽带光源作为入射光，图３给出了由最小分辨率为１０ｐｍ 的光谱仪得到的ＦＬＭ 透射光谱图。由图可知，ＦＬＭ 透射谱是一个周期函数，在１５４７ｎｍ 附近两个谐振谷的间距约为３２．５ｎｍ，消光比为３２ｄＢ。
图４为不同应力作用下ＨｉＢｉＰＣＦＦＬＭ 的透射谱。随着轴向应力的增加，透射谱向长波方向移动。当应力从０增加到３２ｍε 时，１５４７ｎｍ 处谐振谷波长向长波方向偏移了７．５ｎｍ。因此，只要监测谐振谷的波长移动，就可以获得外加应力的情况，实现应力传感。对１５４７ｎｍ处谐振谷的波长随作用于ＨｉＢｉＰＣＦ 的应力变化的关系曲线进行了拟合。波长变化与施加应力呈正比关系，并且有较好的线性度。实验数据可拟合为一次线性函数，斜率为０．２３ｐｍ／με，拟合度犚２ 达０．９９９６。
温度特性实验表明其温度灵敏度仅为０．２９ｐｍ／℃，这比传统保偏光纤（ＰＭＦ）的０．９９ｎｍ／℃ 低了３ 个数量级。因此，该应力传感器在温度基本恒定的普通环境中是对温度不敏感的。
为进一步降低该传感器的成本，本课题组提出了一种简单的基于强度解调的ＨｉＢｉＰＣＦＦＬＭ 应力传感器［１６］。如图５所示，当应力作用于ＨｉＢｉＰＣＦ时引起ＦＬＭ 透射谱的移动，一方面谐振谷波长发生移动，另一方面，对于透射谱上某一特定波长处，其光强也发生变化。因此，通过监测某一特定波长处ＦＬＭ 透射强度的变化，同样可以获得施加应力的信息，实现传感。为方便波长调节，选用可调谐激光器（Ａｇｉｌｅｎｔ８１６８９Ａ）来提供入射光源，在实际应用中可以选用适当波长的分布反馈（ＤＦＢ）激光器及光功率计（Ａｇｉｌｅｎｔ８１６３４Ａ）检测ＦＬＭ 透射光强，这与基于波长检测的应力传感器相比，系统成本大大降低，实用性增强。
实验中，ＰＣＦ的长度犔为７９．５ｍｍ，图６所示为用不同波长的激光作为输入光源时，经过ＦＬＭ 后的透射光强随应力变化的曲线。在１５３０ｎｍ 波长处，当所加应力为３０００με 时，其灵敏度约为２．７ｄＢ／１０００με。当所用光功率计最小分辨率为０．００１ｄＢ时，应力最小分辨率为０．３７με，比基于谐振波长测量的应力传感器的精度提高了２４．６倍。
2．２ 基于气压传感器
传统的光纤气压传感器为增加测量灵敏度都需要一些修正。为克服这一缺点，研究人员提出了基于ＨｉＢｉＰＣＦＦＬＭ 的气压传感器［７］。
图７给出了基于ＨｉＢｉＰＣＦＦＬＭ 的气压传感器的实验装置和实验所用ＰＣＦ的截面，ＦＬＭ 置于一个开口金属盒内，两者同时置于一只密封的气罐内。该气罐与一台空气压缩机相连，内部气压可由压力表测量。ＦＬＭ 的输入输出端置于气罐外图８ 给出的是正常气压下ＦＬＭ 的透射谱。取１５５１．８６ｎｍ 处的谐振谷作为测试波谷，图９给出了不同气压下ＦＬＭ 透射谱的变化。对１５５１．８６ｎｍ 处谐振谷在不同气压下的波长变化进行线性拟合。拟合结果表明，该传感器对气压的灵敏度达到３．４２ｎｍ／ＭＰａ，拟合度为０．９９９。这与事先的理论分析吻合得很好。
对１５５１．８６ｎｍ 处谐振谷波长在不同温度下的变化进行线性拟合可知，传感器对温度的灵敏度为－２．２ｐｍ／℃，这远远低于普通光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）气压传感器对温度的灵敏度，因此在温度变化不大的普通环境中该传感器对温度是不敏感的。
2．３ 基于乙醇填充的的高灵敏度温度传感器
ＰＣＦ具有对温度不敏感的特性，上述应力和气压传感器均是利用这一特性排除温度对测量的干扰。ＰＣＦ不能直接用于温度测量，最近本课题组提出了一种基于乙醇填充ＨｉＢｉＰＣＦＦＬＭ 的高灵敏度温度传感器［１８］。
图１０给出了将乙醇填充的ＰＣＦ 插入ＦＬＭ 中制作高灵敏度温度传感器的实验装置和实验所用ＰＣＦ 的截面。所用ＰＣＦ长６．１ｃｍ（由长飞光纤光缆有限公司提供），当光波长为１５５０ｎｍ 时其双折射为１．０２×１０－３。利用毛细效应将乙醇填充进ＰＣＦ 后，其双折射发生明显
变化，这将使实验中透射谐振谷波长范围增大，从而增加温度的测量范围。ＰＣＦ 两端与普通ＳＭＦ 熔接。输入光源为２００ｎｍ 宽带光源，透射谱由分辨率为０．１ｎｍ 的光谱仪（ＯＳＡ）检测。
乙醇填充的ＰＣＦＦＬＭ 的透射谱对于所填充乙醇的折射率变化十分敏感。图１１给出了乙醇折射率随温度变化的经验值和由乙醇填充的ＰＣＦ的双折射随温度变化的理论值。由图可知，随着温度上升，乙醇折射率线性下降而乙醇填充的ＰＣＦ的双折射线性上升。图１１插图给出了２０ ℃时两个正交偏振的模场。
图１２给出了由乙醇填充的ＰＣＦＦＬＭ 在室温下的透射谱，相应的由乙醇填充的ＰＣＦ 在２０ ℃的双折射约为３．９×１０－４，与理论（约３．５×１０－４）十分接近，其中误差是由于理论计算时ＰＣＦ 空气孔洞的几何尺寸与真实值之间的差别造成的。
3 结束语
对国内外已报道的基于ＰＣＦＦＬＭ 的光纤传感器进行了综述，总结了多种基于ＰＣＦＦＬＭ 的光纤传感器，包括应力、温度、微弯、扭曲和气压传感器。ＰＣＦ具有较好的温度稳定性，在传感检测中可有效排除多个被测物理量之间的交叉影响，使传感器结构简化，因此ＰＣＦＦＬＭ 已经在很多传感领域得到应用。对于目前需求较大的用于高温环境的传感器件，基于ＰＣＦＦＬＭ 的传感器也将具有较大应用潜力。然而实际应用是复杂而多变的，基于ＰＣＦＦＬＭ 的光纤传感器的发展现状还无法满足实际需求，还有许多研究课题需要开展，主要包括：１）传感器进一步实用化的研究，提高传感器的稳定性，并开展基于现有科技水平的应用研究；２）研究多个传感器的复用和解调技术，提高其性价比。这些将成为基于ＰＣＦＦＬＭ 的光纤传感器进一步发展的动力。