光子晶体光纤(PCF)是由带气孔的微结构包层和纯二氧化硅的纤芯组成^[1]，和传统的光纤相比，具有很多独特的性能^[2].例如无截止单模、不同寻常的色度色散、极好的非线性效应及优良的双折射效应.光子晶体光纤的双折射特性对温度变化敏感程度小，具有很好的稳定性.乙醇的热光系数为常数，即其折射率和温度呈线性关系^[3].本文中，将乙醇填充在HiBi-PCF的气孔中，充分利用HiBi-PCF的温度不敏感性和乙醇折射率与温度的线性规律，设计出一种温度传感器结构.光纤环镜由于其结构简单、体积较小、灵敏度高，一直是近几年来被广泛研究的传感结构^[4].在普通单模光纤环镜的最初设计中，采用单模光纤连接2×2单模光纤耦合器两个输出端口，构成一个光纤环^[5].单模光纤在非挤压、弯曲、扭转的情况下，双折射效应可以忽略.因此，若不考虑单模光纤的双折射效应，并忽略诸如外界法拉第效应或陀螺旋转效应的影响，当使用分光比K=0.5的3dB单模光纤耦合器时，这个理想的光纤环起到了“全反射镜”的作用，因此被称为“光纤环镜”.但是，任何单模光纤都不可能是完美的圆对称，即不可能没有双折射效应的存在.文献[6]在单模光纤环镜中熔接一段高双折射光纤，利用双折射效应，基于光谱干涉现象检测外界物理量，这种结构的优越性越来越突出，基于此结构的传感器也越来越多^{[7, 8]}.但瑕疵依然存在，即单纯的光纤环镜的输出结果受挤压、弯曲及扭转等外界情况影响非常严重，甚至会导致输入的结果不正确，所以，这种结构实用性不足.

本文提出一种基于单模光纤环长尾式高双折射光纤环镜结构的温度传感器，由于其能够将传感器探头与光纤环镜独立开来，所以在测量过程中光纤环镜能够避免外界环境的扰动，使光纤环镜传感结构在实际应用中成为了可能.

光纤环境传感器通过光谱干涉效应实现被测量的解调，目前常见的解调方式包括波长解调和光强解调^{[9, 10, 11]}.单波长光强解调相对于波长解调成本更低，因此本文采用基于单波长光强解调的方式.

实验结构如图 1所示，传感器由单波长光源(1 550 nm±0.02 nm)、单模光纤环(臂长差10 cm)、HiBi-PCF、反射镜、3 dB耦合器及光功率计组成.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 实验原理结构图 Fig. 1 Experiment principle diagram

光源发出的光经过3 dB耦合器分别进入3通道顺时针传输，进入4通道逆时针传输，到达耦合器2时被分为两束分别进入7通道和8通道，8通道引出的单模光纤浸入折射率匹配液中，光被匹配液全部吸收，不会有光强返回，而7通道的单模光纤熔接了一段HiBi-PCF，HiBi-PCF末端镀一层反射膜，能够将光按原路返回，光波两次经过HiBi-PCF并经过耦合器2将再次分为两路沿通道5和6传输.最终所有光路的光将在耦合器1处发生干涉.在到达通道2的光波中，只有光路路径分别为3→5→7→6→4和4→6→7→5→3的两束光波才能由高双折射光纤的作用产生周期分布的干涉输出光谱，另外两束光波由于光程差较大而无法形成干涉输出光谱，仅能显示平均光强.由于仅有一半的光产生周期分布的输出光谱，且由于存在平均光强，输出光谱的输出功率最小值不为0，因此输出光谱的最大强度及强度范围均有所减小，但输出光谱的整体周期分布基本不变.由于此结构在单模光纤环外增加独立探头结构，因此能够在不干扰环镜正常工作的前提下实现了温度的测量.

HiBi-PCF由于具有普通保偏光纤无可比拟的优越性，因此，低衰减光子晶体保偏光纤的研制成功，将被广泛应用于干涉型光纤传感器如光纤陀螺、大功率传输、高灵敏性检测、超短脉冲激光器/放大器、非线性光学开关等领域.HiBi-PCF具有很稳定的温度特性，其本身双折射不会随着温度的改变而发生显著变化，也就是说，几乎所有光的特性在其中传输时会被很好地保存，包括偏振形式.

乙醇的热光系数是一个常数，即其折射率会随着温度线性变化，如图 2所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 温度对乙醇折射率的影响 Fig. 2 Effect of temperature on refractive index of ethanol

由图 2可知，乙醇的折射率随温度的上升而降低，且呈线性关系，灵敏度为4.45e-4/℃.

本实验中，使用的是长飞公司的PM-125-03型高双折射光子晶体光纤，小空气孔的直径为3.2 μm，大空气孔的直径为7 μm，孔间距为3.2 μm.图 3是这种光纤的截面图.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 PM-125-03截面 Fig. 3 Cross section of PM-125-03

填充高双折射光子晶体光纤主要有三种方法：毛细管法、加压注入法和低压吸入法.本实验使用加压注入法，原理如图 4所示.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 加压注入法 Fig. 4 Pressurized injection method

取8 cm的光子晶体光纤，并且把乙醇加压注入到空气孔中，然后将其与单模光纤熔接.熔接机采用古河S178，两个熔接点整体损耗为4.9 dB.使用Sagnac环镜系统，通过干涉谱波峰间距来测量填充乙醇的光子晶体光纤的双折射随温度的变化情况，实验结果如图 5所示.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 填充乙醇高双折射光子晶体光纤双折射与温度的关系 Fig. 5 Birefringence of ethanol-filled HiBi-PCF versus temperature

由图 5可以看出，填充乙醇的HiBi-PCF的双折射与温度呈递增的线性关系，灵敏度为0.015 625/℃.

单模光纤环长尾式高双折射光纤环镜结构(HiBi-FLM)的传输过程可以通过琼斯矩阵来描述^[12].光纤中光矢量分布起主要作用的是E_x或E_y分量.对一般性的完全偏振光，E_x和E_y用列向量的形式可描述为

当在光纤中传输的光连续通过一系列光学器件时，若已知各器件的琼斯矩阵，则总的琼斯矩阵是各器件琼斯矩阵的乘积，即出射光与入射光的关系满足

若光纤中有n束相同频率、相同方向的偏振光叠加时，需先分析琼斯矩阵相应分量共同的振幅和相位，然后可利用琼斯矩阵进行相加运算，即

影响单模光纤偏振态的外界环境因素有很多，常见的是在光纤上施加如挤压、弯曲或扭转等外部应力引起偏振态改变.这时光纤可被看成由一系列线偏振器件和旋光器件组成，总的传输特性可用琼斯矩阵描述为

当光纤弯曲时，光纤中心平行于曲率平面的轴向，会产生横向压应力，将引起线双折射，则长为l_i的光纤相位延迟矩阵为

当光纤受到各个方向均匀应力或受到拉伸时，长为l_i的光纤的相位延迟矩阵为

当光纤受到扭转时，扭转引起的切应力会引起圆双折射效应，则长为l_i的光纤的旋转矩阵为

当组成光纤环镜的单模光纤受到外部应力作用，偏振态的改变会影响光纤环镜的输出光谱，因此在实验中应适当调节单模光纤，在其达到光纤环镜所需要的输出光谱时加以固定和隔离，才能尽量减小外部应力的干扰.

不考虑耦合器的插入损耗时，2×2光纤耦合器的传输特性可由琼斯矩阵描述为

根据式(3)进行组合、计算、化简，最终得到

式(11)表述了系统的输出光谱方程，可以看出，它是一条正弦曲线.已知L,Δn均为高双折射光纤参数；θ₁,Γ及θ₂,φ分别为环内两组单模光纤本身的旋转角度和相应的相位延迟，θ₃为高双折射光纤对应于单模光纤快(慢)轴的旋转角度，这5个参数均归为单模光纤的参数.固定单模光纤的参数θ₁=30^°,Γ=0^°,θ₂=60^°,φ=90^°,θ₃=45^°.为了便于分析，这里使用的双折射是实验中测得数据的线性拟合数据，以便得到更加流畅的曲线，然后分别代入式(11)中，在λ=1 550 nm的单色入射波情况下，填充了乙醇的HiBi-PCF光强干涉谱如图 6所示.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 温度与相对输出光强的关系(L=1cm) Fig. 6 Relationship between temperature and output light intensity at L=1cm

由图 6可以看出，理论上透射光谱确实不为单调函数，而是与温度呈正弦关系，但是在正弦函数的上升或者下降区间内却可以近似呈线性关系.此结构缺点是测温范围较窄，可应用于量程范围较小的场合.

按照图 1搭建传感系统，将乙醇填充到光子晶体光纤中，并将其一端与7通道单模光纤熔接，另一端镀银镜.光源采用窄线宽半导体激光器，波长范围为1 550 nm±0.02 nm，入射光功率为3.2 mW.改变温度并读取功率计上获得的相应数据，温度选取20~40 ℃，功率与温度的关系如图 7所示.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 实验测得光功率与温度关系图 Fig. 7 Experimental measurement result of output power versus temperature

从图 7中可以看出，输出光功率线性拟合度很高，测得灵敏度为0.003 1 mW/℃.在40 ℃时测得的最小功率为0.13 mW，即若采用分辨率为0.001 dB的光功率计，此传感器最佳分辨率优于0.02 ℃.

实验证明了乙醇的折射率随温度的上升而降低，且呈线性关系，灵敏度为4.45e-4/℃；填充乙醇的HiBi-PCF的双折射与温度呈递增的线性关系，灵敏度为0.015 625/℃；理论推导得出传感系统透射光谱不为单调函数，而是与温度呈正弦关系，但是在正弦函数的上升或者下降区间内却可以近似呈线性关系；实验证明了HiBi温度传感系统输出光功率线性拟合度很高，灵敏度为0.003 1 mW/℃.