七芯光子晶体光纤温度传感器

七芯光子晶体光纤温度传感器 Seven-core photonic crystal fiber temperature sensor corresp first-author E-mail： wugenzhu@zjnu.cn E-mail： wugenzhu@zjnu.cn 吴根柱（1967-），男，内蒙古兴安盟人，博士，教授，硕士生导师， 1986年于内蒙古师范大学获得学士学位，1999年、2002年于长春理工大学分别获得硕士、博士学位，主要从事半导体微腔激光器理论与制作技术、光子晶体光纤传感技术方面的研究。E-mail：wugenzhu@zjnu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848292&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848300&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848294&type= 22.01330566 32.00399780 吴根柱 （1967-），男，内蒙古兴安盟人，博士，教授，硕士生导师， 1986年于内蒙古师范大学获得学士学位，1999年、2002年于长春理工大学分别获得硕士、博士学位，主要从事半导体微腔激光器理论与制作技术、光子晶体光纤传感技术方面的研究。E-mail： wugenzhu@zjnu.cn wugenzhu@zjnu.cn 林春婷（1996-），女，广东湛江人，硕士研究生，2019年于岭南师范学院获得学士学位，主要从事光纤传感方面的研究。E-mail：2731988524@qq.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848305&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848315&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848310&type= 22.01330566 32.00399780 林春婷 （1996-），女，广东湛江人，硕士研究生，2019年于岭南师范学院获得学士学位，主要从事光纤传感方面的研究。E-mail： 2731988524@qq.com 2731988524@qq.com 浙江师范大学 物理与电子信息工程学院，浙江 金华 321004 浙江师范大学 物理与电子信息工程学院，浙江 金华 321004 School of Physics and Electronic Information Engineering， Zhejiang Normal University， Jinhua 321004， China School of Physics and Electronic Information Engineering， Zhejiang Normal University， Jinhua 321004， China 为了深入探究七芯光子晶体光纤的传感特性，本利用有限元法研究七芯光子晶体对温度的传感特性，找到七芯光子晶体纤芯基模与包层高阶模的有效折射差与温度的关系，算出波谷波长与温度的变化关系，即理论灵敏度，并基于单模-七芯光子晶体-单模结构的马赫-曾德尔干涉结合水浴法进行温度传感实验检测。研究结果表明：七芯光子晶体光纤的理论灵敏值为-47.14 pm/ºC，实验测出的灵敏度为-48.86 pm/ºC。可以发现七芯光子晶体光纤对温度具有良好的线性传感特性，而且稳定性好、线性拟合度高、制作工艺简单，在海洋环境监测、生物制药和食品检测等领域具有良好的应用价值。 To better understand the sensing characteristics of the seven-core photonic crystal fiber， this study adopted the method of combining theory and experiment. The finite element method was used to evaluate the temperature sensing characteristics of the seven-core photonic crystal， and the relationship between the effective refraction difference under the basic mode of the seven-core photonic crystal core and the higher order mode of the cladding and the temperature was determined. Moreover， the relationship between the wavelength of the trough and the temperature， that is， theoretical sensitivity， was calculated. And it was based on the single-mode-seven-core photonic crystal-single-mode Mach-Zehnder interference combined with the water bath method to detect the temperature. The results indicate that the theoretically calculated sensitivity is -47.14 pm/ºC， and the experimentally measured sensitivity is -48.86 pm/ºC. The seven-core photonic crystal fiber also features good linear temperature sensing characteristics. Owing to its good stability， high linearity fit， simple manufacturing process， and other characteristics， it shows potential for application in marine environmental monitoring， the biopharmaceutical industry， food testing， and other fields. 光纤传感：七芯光子晶体 温度传感 马赫-曾德尔干涉 optical fiber sensing seven-core photonic crystal temperature sensor Mach-Zehnder interference 1 引　言 1 近年来，光纤传感器因其自身体积小、传感性能优良、抗电磁干扰能力强、成本低和传输信息容量大等优点，越来越多地应用于桥梁检测、国防安全、医疗健康等领域 ［ 1 1 - 4 4 1-4 ］ 。其中，干涉型光纤传感器具有灵敏度高，结构简单的优点，干涉型光纤传感器又可以分为马赫-曾德尔（Mach-Zehnder，MZ）传感器 ［ 5 5 ］ 、Michelson传感器 ［ 6 6 ］ 、Sagnac环传感器 ［ 7 7 ］ 和Fabry-Perot传感器 ［ 8 8 ］ 。MZ光纤传感器原理简单，通过特殊结构设计可以测量温度 ［ 9 9 ］ 、应力 ［ 10 10 ］ 、曲率 ［ 11 11 ］ ，pH值 ［ 12 12 ］ 和磁场强度 ［ 13 13 ］ 等大部分物理量。目前，利用MZ干涉型传感器测量温度已有不少研究。陈家乐 ［ 14 14 ］ 等人基于双锥结构的单模-多模-单模干涉型温度传感结构测量温度，利用锥区增加灵敏度，灵敏度为0.051 nm/℃。辛鹏程等人基于一种多模-细芯-多模结构来测量温度，灵敏度为 - 0.042 4 nm/ºC ［ 15 15 ］ 。仲怡美等人利用单模-球形-少模-单模结构进行温度测量，温度灵敏度为0.030 nm/℃ ［ 16 16 ］ 。 七芯光子晶体光纤（Seven-core Photonic Crystal Fiber，SCPCF）是在一根光子晶体里引入缺陷形成7个纤芯，即在PCF里减少若干个空气孔 ［ 17 17 - 18 18 17-18 ］ 。因此，SCPCF的模场面积和通信容量均较大，在非线性光学 ［ 19 19 ］ ，高功率超连续谱输出 ［ 20 20 ］ 等方面具有重要研究价值。然而，对七芯光子晶体的传感耦合特性分析比较少，且都是进行的数值仿真。耿鹏程等人利用有限差分光束传播法（Finite Difference Beam Propagation Method，FD-BPM）分析了七芯 PCF 的耦合特性，发现其耦合长度随着传输波长的增加而减小，随着纤芯与包层材料折射率之差和纤芯之间距离的增大而增大 ［ 21 21 ］ 。贾丽笑等人提出了一种六重对称结构的七芯准光子晶体光纤，并利用有限元法研究发现该光纤具有较短的耦合长度，并且通过减小孔间距、占空比、纤芯折射率和纤芯直径，耦合长度会相应地变短 ［ 22 22 ］ 。Liu等人利用有限元法将液晶填入SCPCF中进行温度测量模拟实验，研究发现被液晶渗透纤芯的模式强度、有效模式面积、波导色散和限制损耗与温度有关 ［ 23 23 ］ 。这是首次报道SCPCF作为温度传感器，但研究仅限于模拟分析。 为了深入研究七芯光子晶体光纤的温度传感特性，本文将理论与实验相结合，采用有限元法研究七芯光子晶体对温度的传感特性，并制作基于单模-七芯光子晶体-单模结构的MZ温度传感器。该传感器稳定性好、线性度高，具有良好的应用价值，对七芯光子晶体的传感特性分析上提供了重要参考价值。 2 传感结构及原理 1 本文制作的MZ温度传感器的结构如 图1 图1 （a）所示，两端单模级联一个光子带隙型七芯光子晶体光纤而成。利用单模与光子晶体熔接过程中形成的塌陷区域作为激励区，在第一处塌陷区域时，一部分光从纤芯进入包层，光在光子晶体的纤芯与包层处共同传输；当进入第二处塌陷区域时，两种模式的光耦合进入单模光纤，从而形成MZ干涉。其中所用的七芯光子晶体光纤为长盈通计量公司生产，空气孔为六边形排布，黑色部分代表空气孔，纤芯直径 <math id="M1"><mi>R</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">4.3</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848326&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848319&type= 17.78000069 3.64066648 ，孔径 <math id="M2"><mi>r</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">3.6</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848338&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848331&type= 16.76399994 3.64066648 ，孔间距 <math id="M3"><mi>d</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">4.3</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848348&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848343&type= 17.44133186 3.64066648 ，包层直径为125 µm。 发生干涉后光的强度为： <math display="block" id="M4"><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mroot><mrow><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub></mrow><mrow/></mroot><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mo>△</mo><mi>φ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848372&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848367&type= 52.49333191 4.99533367 ， 其中： <math id="M5"><mi>I</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848383&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848376&type= 1.26999998 2.79399991 是干涉后的总光强度， <math id="M6"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848393&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848388&type= 4.65666676 3.72533321 是七芯光子晶体中包层的光强度， <math id="M7"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848401&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848397&type= 4.74133301 3.72533321 是七芯光子晶体中纤芯的光强度， <math id="M8"><mo>△</mo><mi>φ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848410&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848405&type= 6.01133299 3.80999994 是七芯光子晶体包层与纤芯模式的相位差，即： <math display="block" id="M9"><mo>△</mo><mi>φ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mi>L</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848419&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848415&type= 38.43866730 8.38199997 ， 其中： <math id="M10"><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848430&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848423&type= 2.87866688 3.72533321 为光源的中心波长， <math id="M11"><msubsup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848440&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848435&type= 5.41866684 3.97933316 为SCPCF中的纤芯有效折射率， <math id="M12"><msubsup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848450&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848446&type= 5.24933338 3.97933316 为SCPCF中的包层有效折射率， <math id="M13"><mi>L</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848458&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848454&type= 2.45533323 2.79399991 为七芯光子晶体的长度。 当满足相位条件时，即： <math display="block" id="M14"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>φ</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi mathvariant="normal">π</mi><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0,1</mn><mo>,</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>…</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848468&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848463&type= 49.36066818 3.72533321 . 此时的波长为波谷波长： <math display="block" id="M15"><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">f</mi><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfrac><mi>L</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848473&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848471&type= 34.37466812 7.87400007 . 当外界温度变化时，七芯光子晶体光纤的纤芯与包层的有效折射率差发生改变，从而导致干涉波长改变，通过谱线的偏移可以反测出温度的变化。 3 数值仿真及分析 1 利用有限元法对七芯光子晶体测温进行实验计算，将固体力学中热膨胀与波动光学模块结合进行模拟计算。其中，二氧化硅的热膨胀系数 <math id="M16"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">S</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">3.5</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">6</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mi mathvariant="normal">K</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848481&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848477&type= 32.08866501 4.57200003 ，杨氏模量 <math id="M17"><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">S</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">78</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">G</mi><mi mathvariant="normal">P</mi><mi mathvariant="normal">a</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848488&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848484&type= 22.86000061 4.06400013 ，泊松比 <math id="M18"><mi>ν</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0.17</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848496&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848492&type= 12.86933327 2.79399991 ，密度 <math id="M19"><msub><mrow><mi>ρ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">S</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">O</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">203</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">k</mi><mi mathvariant="normal">g</mi><mo>/</mo><msup><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848502&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848499&type= 29.29466629 4.57200003 ，空气密度 <math id="M20"><msub><mrow><mi>ρ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1.29</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">k</mi><mi mathvariant="normal">g</mi><mo>/</mo><msup><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848515&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848511&type= 25.90800095 5.07999992 ，空气的杨氏模量、热膨胀系数和泊松比均为零。 图2 图2 为七芯光子晶体光纤的同位相超模（纤芯基模），此时七芯光子晶体的七个超模的相位相同。由于倏逝场的强耦合作用，同相位超模变成了主导超模，且在远场具有很好的高斯分布，从 图2 图2 可以看出各纤芯能量均匀分布。改变温度，测得七芯光子晶体基模与高阶模有效折射率之间的关系，如 图3 图3 所示，再通过 式（4） 式（4） 计算出波谷波长与温度的比值，即理论灵敏度，为 - 47.14 pm/ºC。仿真实验表明，七芯光子晶体对温度具有良好的传感特性，且随着温度的变化，七芯光子晶体透射谱中波谷波长呈线性漂移。 图4 图4 为纤芯直径 <math id="M21"><mi>R</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">4.3</mn><mtext>  </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848546&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848541&type= 18.54199982 3.64066648 ，孔径 <math id="M22"><mi>r</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">3.6</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848555&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848551&type= 16.76399994 3.64066648 ，孔间距 <math id="M23"><mi>d</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">4.3</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">μ</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848565&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=16848560&type= 17.44133186 3.64066648 ，包层直径为125 µm的单芯光子晶体基模与高阶模折射率差与温度的关系。通过 式（4） 式（4） 算出单芯光子晶体在温度传感上的灵敏度为 - 51.99 pm/ºC，与SCPCF的灵敏度接近。然而，SCPCF的纤芯多，有着极高的设计灵活性、较少的热致光束畸变和较大的有效模式面积，开发出适用于各种应用的新型光学器件的潜力更大 ［ 24 24 ］ 。而且由于其模场面积大，损耗低，输出光波质量高 ［ 25 25 ］ ，其温度传感性能优于单芯PCF。 七芯PCF的长度对传感器的灵敏度也有着一定的影响，若长度过长会增大损耗，导致灵敏度下降；长度太短，单模与七芯光子晶体的耦合效果不佳，导致灵敏度降低。仿真发现，七芯PCF长度为2 cm时传感器的灵敏度最好。 4 实验与讨论 1 首先，将单模与七芯光子晶体的涂覆层剥离，然后使用切割刀将两种光纤切平整，切割角控制在2º之内，使用熔接机（FSM-100P）对单模-七芯光子晶体-单模依次进行清洁放电熔接，设置放电强度为标准［235］bit，放电时间为3 000 ms，清洁放电功率为［235］bit，清洁放电时间为150 ms。实验使用的SCPCF长2.0 cm。将SMF-SCPCF-SMF结构连接到宽带光源（Amplified Spontaneous Emission，ASE），其中心波长为1 550 nm和光谱分析仪（AQ6375B），打开ASE源与光谱仪，并将光谱仪的扫描波长设置为1 520~1 610 nm。 将传感结构固定在玻璃板上放入盛有热水的烧杯中，并连接宽带光源与光谱仪，构成温度测量装置，如 图5 图5 所示。温度从80 ºC降温到30 ºC，同时观察谱线的漂移，每隔10º C记录一组数据，一共记录了6组数据。 图6 图6 是在1 520~1 610 nm内温度的干涉谱线。选1 597 nm波谷波长附近进行研究，将该处谱线放大，如 图7 图7 所示，从图中可以看出，随着温度的逐渐升高，干涉谱线逐渐往左漂移。读取对应温度的波谷波长，进行数据处理， 图8 图8 为数据拟合图，测得温度灵敏度为-48.86 pm/ºC，线性拟合度高达95.15%。 与理论计算得出的温度灵敏度相比，实验测出的灵敏度偏大一点，考虑到实验时外界环境温度的变化导致七芯光子晶体光纤出现热胀冷缩，光纤具有微小的形变，最终实验测得的温度灵敏度的绝对值偏大，为1.72 pm/ºC。 5 结　论 1 本文将理论与实验相结合研究了七芯光子晶体温度传感器。首先利用有限元法研究七芯光子晶体的温度传感特性，并计算出温度传感下的灵敏度为-47.14 pm/ºC。再基于单模-七芯光子晶体-单模结构实行温度检测，测得温度灵敏度为-48.86 pm/ºC，线性拟合度高达95%。实验与理论研究表明七芯光子晶体具有良好的温度传感特性。七芯光子晶体传感器具有体积小巧、线性度好等优点，在温度测量方面具有潜在的应用价值。 参考文献 亓志扬 ， 温晓东 ， 张聪聪 ， 等 . 基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤扭转传感器 ［J］. 光学技术 ， 2019 ， 45 （ 1 ）： 54 - 57 . 基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤扭转传感器 QI ZH Y ， WEN X D ， ZHANG C C ， et al . 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