光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結構的濕度傳感器

邵 敏, 喬學光, 傅海威, 李 巖, 姚 妮, 賈振安

1.西安石油大學理學院陜西省光電傳感測井重點實驗室, 陜西 西安 710065 2.西北工業大學理學院陜西省光信息技術重點實驗室, 陜西 西安 710072 3.西北大學物理學院, 陜西 西安 710069 4.浙江大學光電工程系現代光學儀器國家重點實驗室, 浙江 杭州 310027

光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結構的濕度傳感器

邵 敏1, 2, 喬學光3, 傅海威1, 李 巖1, 姚 妮4, 賈振安1

1.西安石油大學理學院陜西省光電傳感測井重點實驗室, 陜西 西安 710065 2.西北工業大學理學院陜西省光信息技術重點實驗室, 陜西 西安 710072 3.西北大學物理學院, 陜西 西安 710069 4.浙江大學光電工程系現代光學儀器國家重點實驗室, 浙江 杭州 310027

提出了一種基于光纖布拉格光柵嵌入單模-多模纖芯-單模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纖結構的濕度傳感器。當環境濕度變化時，SMS光纖結構的干涉光譜會發生漂移，而光纖布拉格光柵對濕度不敏感，其纖芯基模保持不變。因此利用SMS光纖結構對環境濕度的敏感性去調制光纖布拉格光柵纖芯基模，通過檢測光纖布拉格光柵纖芯基模的反射能量變化就可以實現濕度測量。數值模擬了SMS光纖結構的內部光場分布規律，理論計算了不同環境折射率時，多模纖芯的長度、直徑對SMS光纖結構輸出能量耦合系數的影響。理論模擬表明，隨著環境折射率變化，SMS光纖結構中傳輸的纖芯基模的輸出能量耦合系數會發生變化。同時制作了傳感器樣品并對其進行了傳感實驗研究，實驗結果表明多模纖芯長35 mm、纖芯直徑為85 μm的傳感器在45%～95%RH濕度變化范圍內，濕度靈敏度為0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃溫度范圍內，傳感器的溫度靈敏度為0.008 nm·℃-1，溫度所帶來的濕度測量誤差為0.047%RH·℃-1。傳感器具有制作簡單、靈敏度高、反射式能量檢測等優點，在濕度測量領域有一定的應用價值。

光纖布拉格光柵；單模-多模纖芯-單模光纖結構；濕度傳感

引 言

濕度是指空氣中的水蒸氣的含有量，表示空氣的干燥程度，常用的度量值有絕對濕度、露點、相對濕度等。絕對濕度是指單位體積空氣中含有水蒸氣的質量，與溫度和壓力有關。露點指空氣中水蒸氣含量和氣壓不變的條件下冷卻達到飽和時的溫度。相對濕度(relative humidity, RH)表示空氣中的絕對濕度與同溫度下的飽和絕對濕度的比值。濕度測量在氣象、農林業、生物化學、建筑、醫療衛生等領域中有著廣泛的應用。尤其在林業中，濕度是林火預報重要的衡量指標之一，空氣中的水分含量是森林能否燃燒以及衡量林火蔓延速度的重要參數。相對濕度越大，可燃物的水分吸收越快，蒸發越慢，可燃物含水量增加，越不容易發生火災。所以濕度的測量尤為重要。與傳統的電類濕度傳感器相比，光纖型濕度傳感器[1-3]可工作在嚴重污染和強電磁干擾的環境中，可實現多點、遠距離測量，而且無污染，吸引了廣泛關注?；诠饫w布拉格光柵的濕度傳感器，具有結構緊湊、能夠波分復用等優點，在光纖型濕度傳感器中研究較多。由于光纖布拉格光柵自身對外界環境的濕度變化不敏感，為了提高光纖布拉格光柵的濕度靈敏度，研究者們提出了多種方案。一是在光纖布拉格光柵上涂覆濕敏材料[4-5]，如聚酰亞胺、水凝膠、聚乙烯醇等。Ding[6]在光纖布拉格光柵上涂覆聚酰胺，實現了20%～80%RH濕度范圍內的濕度測量。David[7]在化學腐蝕光纖光柵直徑后涂覆玻璃增強型聚酰亞胺，傳感器的靈敏度可達1.28 pm·(%RH)-1。由于濕敏材料在高溫作用下性能容易發生改變，所以鍍膜類濕度傳感器的穩定性會受到一定的影響。二是寫制特殊的光纖光柵[8-9]，如Yuan[10]在鍍制環烯烴類共聚物(TOPAS)的微結構光纖上寫入光纖布拉格光柵，傳感器的濕度靈敏度為-0.7 pm·(%RH)-1。但這種方法受限于光纖光柵的寫制技術，且增加成本。而且多數的濕度傳感器未涉及溫度與濕度的交叉靈敏問題?；诖?，提出了一種基于光纖布拉格光柵嵌入單模-多模纖芯-單模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纖的濕度傳感器，利用SMS光纖結構對外界環境的敏感性，實現了濕度測量。傳感器制作簡單、無需鍍膜、濕度靈敏度高且可消除溫度影響等優點。

1 傳感器的結構原理與制作

光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結構的原理圖見圖1所示。當光從單模光纖進入多模纖芯時，由于纖芯失配會激發出多個高階模，這些高階模和纖芯基模在多模纖芯中傳輸一段距離后耦合進入單模光纖。高階模和纖芯基模遇到光纖布拉格光柵時，被部分反射后進入到多模纖芯，并經由單模光纖輸出。當外界環境的濕度發生變化時，由于光纖布拉格光柵自身對濕度并不敏感，所以反射回來的纖芯基模的能量和波長會保持不變。多模纖芯無包層，環境空氣充當了其包層，因此多模纖芯中傳輸的各階模式對外界環境的變化很敏感。同時，石英光纖中的SiO2分子與濕氣的H2O分子之間存在著吸附[11-12]，所以空氣濕度變化時，多模纖芯內的有效折射率發生改變，進而導致SMS光纖結構的透射光譜發生漂移。因此SMS光纖結構的透射光譜會調制光纖布拉格光柵纖芯基模的能量，使之隨濕度改變而變化。SMS光纖結構是傳感元件，感知外界環境濕度參量的變化，而且傳輸纖芯基模和高階模。光纖布拉格光柵則充當了濾波器和反射鏡，僅保留纖芯基模和某些高階模，并將它們反射輸出。

將SMS光纖結構與光纖布拉格光柵結合，不僅可以解決光纖布拉格光柵對外界環境濕度的不敏感，無需鍍制濕敏材料，也無需腐蝕光纖布拉格光柵的直徑至微納量級，降低其機械強度。還可以實現反射式測量，有利于傳感器的封裝。

圖1 FBG嵌入SMS光纖結構的原理圖

實驗中將一段長為35 mm多模光纖(S105/125)剝除去涂覆層，酒精擦拭干凈后，用光纖切刀將其兩端平整切除后放入濃度為45%的氫氟酸中，腐蝕時間為10 min。腐蝕結束后，取出多模纖芯，用蒸餾水多次反復清洗以去除殘留余酸，得到直徑為85 μm的多模纖芯。選用一根單模光纖(SMF-28)上寫入的布拉格光纖光柵，光柵柵距為530 nm。利用光纖熔接機(Furukawa，S177)將多模纖芯與光纖布拉格光柵進行無偏芯熔接，多模纖芯距光纖布拉格光柵的距離小于5 mm。多模纖芯的另一端與一根單模光纖也進行無偏芯熔接，形成單模-多模纖芯-單模光纖(SMS)結構與光纖布拉格光柵的級聯。為了獲得較高的反射率，光纖布拉格光柵的尾纖端面打磨粗糙。圖2是單模光纖與多模纖芯熔接點處的照片。

圖2 多模纖芯與單模光纖的熔接照片

圖3是光纖布拉格光柵與光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結構的反射光譜圖。從圖3(a)中可以知道，光纖布拉格光柵的反射中心波長λ0為1 553.480 nm。圖3(b)表明與SMS光纖結構級聯后，光纖布拉格光柵的反射中心波長未發生變化，但在纖芯基模λ0的左側出現了高階模λ1(1 552.005 nm)。這說明SMS光纖結構與光纖布拉格光柵級聯后，激發出了光纖布拉格光柵的高階模。

圖3 FBG(a)與FBG嵌入SMS光纖結構(b)的反射光譜圖

2 SMS光纖結構的理論模擬

當光由單模光纖進入到多模纖芯時，會在多模纖芯內激發出一系列的高階模式。假設單模光纖與多模纖芯的熔接為理想化，由于輸入場的圓對稱性，則只有纖芯基模LP01和LP0m模在光纖中傳輸。忽略輻射損耗，則從單模光纖進入多模纖芯中的輸入光場可以看作是由所有傳導模式的線性疊加而成[13]，表示為

(1)

式中Ψm(r)是LP0m模的光場分布，由多模纖芯的直徑、纖芯折射率決定；bm是每個模式的激勵系數，bm寫作

(2)

當傳播z距離后，多模纖芯內的光場分布為

(3)

式中βm=kneff是每個模式的傳播常數。

對E(r,z)和單模光纖中輸出的基模光場分布E0(r)使用重疊積分，得到能量耦合系數

(4)

在理想波導中，各個模式之間的光之間獨立傳播，互不影響。但是在外界因素，破壞了波導的均勻性時，模式之間會發生能量的交換，導致模式耦合。在SMS光纖結構中，當光從單模光纖進入到多模纖芯，由于纖芯失配使得由原來單模光纖中的單一模式激發出了多模纖芯中的多個模式。激發出的各階模式的能量就由單模光纖中的纖芯基模和多模纖芯中的對應模式的耦合系數決定。能量耦合系數是入射光功率與多模纖芯中每一特定模式的耦合功率的函數，決定了各激發模式功率的大小。通過求解耦合系數，可以計算出各階模式傳輸的光功率，并確立模式之間的干涉。

由于耦合系數的求解較為復雜，一般采用數值模擬方法研究光波導內的光場分布。光束傳播法(beam propagation method, BPM)[14]是標量亥姆霍茲方程的迭代解法，其基本思想是把波導沿著傳播方向剖成若干個二維截面，每一個截面上的電磁場分量可用偏微分方程來表示。根據前一個截面上的已知場分布計算出下一個截面上的場分布。BPM算法具有計算快捷、節省存儲空間、運算速度快等優點，而且能夠直觀形象地反映出光波導中光場的傳輸與分布情況，是目前光波導器件研究與設計中使用較多的方法之一。本文使用美國RSOFT公司研發的RSOFT商用軟件，利用BPM算法對SMS光纖結構進行數值模擬。

表1 SMS光纖結構仿真模型的參數設置

在RSOFT軟件內建立仿真模型，并對初始輸入的光場能量進行歸一化。理論計算中參數設置詳見表1，其中兩段單模光纖的長度均為1 mm。模擬得到SMS光纖結構的內部光場分布見圖4所示。從圖中可以發現，光在單模光纖中傳輸時，光場的能量分布沒有發生變化，保持為1.0。當光從單模光纖進入多模纖芯時，激發出了多個模式，各個模式之間產生耦合，導致能量變弱或疊加。而且在多模纖芯內部某些傳輸點能量極大，某些傳輸點處能量極小，使得光場分布在傳輸距離的方向上出現了周期性，即自映像效應。從多模纖芯輸出至單模光纖的歸一化能量為0.24，即SMS光纖結構的輸出耦合能量系數為0.24。

圖4 SMS光纖結構的光場傳輸示意圖

模擬計算了不同多模纖芯參數的SMS光纖結構在不同環境折射率下纖芯基模的輸出耦合能量系數，計算中選取的參數除外界環境折射率、多模纖芯直徑和長度外，其余參數仍按表1設置，計算結果見圖5所示。從圖中可以發現在特定波長下，纖芯基模的輸出耦合能量系數由多模纖芯的直徑和長度決定。當選擇合適的多模纖芯參數時，就可獲得較高的輸出耦合能量系數，因此通過改變多模纖芯的參數可優化設計傳感器結構。圖5還表明纖芯基模的輸出耦合能量系數隨著環境折射率的改變而改變。由于空氣濕度改變時，大氣的折射率會發生改變，SMS光纖結構對環境折射率的敏感性說明其可用于濕度測量。當環境折射率從1.0增加至1.1時，多模纖芯長35 mm、直徑為85 μm的SMS光纖結構的纖芯基模的輸出耦合能量系數從0.24增加至0.29，因此可以預期制作的傳感器的纖芯基模的能量對濕度響應敏感。

圖5 不同環境折射率下SMS光纖結構的輸出能量耦合系數

Fig.5 Output coupling coefficients of the SMS fiber structure at different surrounding refractive indices

3 結果與分析

將制作好的傳感器樣品繃直后兩端固定在有機玻璃上，然后將封裝好的傳感器放入濕度箱(WHTH-225L-20-300)中，濕度實驗的裝置圖見圖6所示，寬帶光源(Lightcomm, ASE-CL)發出的光經1×2耦合器進入傳感器后，光纖布拉格光柵將光再反射至耦合器，反射光譜由光譜儀(Anritsu, MS9740A)接收。濕度箱的溫度設定為20 ℃，從45%RH開始以5%RH為間隔增加濕度箱的濕度至95%RH，用光譜儀記錄不同濕度下傳感器的反射光譜。

圖6 實驗裝置圖

濕度實驗結果見圖7所示。圖7表明，當環境濕度增加時，光纖布拉格光柵纖芯基模的能量線性增加，這與前述模擬結果相符。而纖芯基模的波長在濕度實驗中幾乎保持不變，說明該傳感器可實現基于能量檢測的濕度測量。圖8是根據實驗數據繪制的傳感器濕度靈敏度曲線，圖中實點為實驗觀測值，實線為線性擬合直線。從圖中可得知，當濕度變化范圍為45%RH～95%RH時，光纖布拉格光柵纖芯基模的能量增加了3.39 dBm，傳感器的濕度靈敏度為0.06 dBm·(%RH)-1，線性度為0.997。

圖8 傳感器的濕度靈敏度曲線

由于溫度對濕度測量結果有一定影響，所以對傳感器的溫度響應特性也進行了實驗研究。將濕度箱的濕度設定為60%RH，并保持不變。從20～80 ℃，每間隔10 ℃改變濕度箱的溫度，記錄光纖布拉格光柵纖芯基模的光譜，實驗結果見圖9所示。圖9表明隨著環境溫度的升高，光纖布拉格光柵纖芯基模的波長向長波方向移動，發生紅移，而能量變化幅度不大。這是因為由于熱膨脹效應，光纖布拉格光柵纖芯基模的中心波長發生紅移，而SMS光纖結構干涉光譜的漂移量較小，所以光纖布拉格光柵纖芯基模的能量調制不明顯。傳感器的溫度靈敏度為0.008 nm·℃-1，線性度為0.999。而溫度實驗中纖芯基模的能量變化幅度較小。在20～80 ℃溫度范圍內，能量變化小于0.2 dBm，溫度所帶來的濕度測量誤差為0.047%RH·℃-1，在實際應用中可以忽略溫度對濕度測量的影響。實驗結果表明傳感器的波長對溫度敏感，能量對濕度敏感，意味著傳感器具有可同時區分測量溫度與濕度的潛力。

圖9 傳感器的溫度靈敏度曲線(插圖為纖芯基模反射光譜的溫度響應)

Fig.9 The peak wavelength as a function of temperature (Inset shows the reflective spectral responses of the core mode at different temperature)

4 結 論

提出了一種基于光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結構結合的傳感器。利用SMS光纖結構對外界環境參量敏感的特性，調制光纖布拉格光柵纖芯基模的能量，實現濕度測量。利用RSOFT軟件建立了SMS光纖結構模型，理論分析了多模纖芯的長度、直徑、外界環境折射率對SMS光纖結構內部光場分布及輸出耦合能量系數的影響。制作了傳感器樣品并對其進行了傳感實驗研究，實驗結果表明多模纖芯長35 mm，纖芯直徑為85 μm的傳感器在45%～95%RH濕度變化范圍內，濕度靈敏度為0.06 dBm·(%RH)-1，纖芯基模波長保持不變；在20～80 ℃溫度范圍內，溫度靈敏度為0.008 nm·℃-1，而纖芯基模能量變化幅度較小，因此溫度對濕度測量結果的影響可以忽略。該傳感器可實現基于能量檢測的濕度傳感測量，在濕度測量領域有一定的應用前景。

[1] Yeo T L, Sun T, Grattan K T V.Sensors and Actuators A, 2008, 114: 280.

[2] Wu Qiang, Semenova Y, Mathew J, et al.Optics Letters, 2011, 36(10): 1752.

[3] Chen L H, Li T, Chana C C, et al.Sensors and Actuators B, 2012, 169(1): 167.

[4] Huang X F, Sheng D R, Cen K F.Sensors and Actuators B, 2007, 127: 518.

[5] ZHANG Xiang-dong, LI Yu-lin, PENG Wen-da, et al(張向東, 李育林, 彭文達, 等).Acta Photonica Sinica(光子學報)，2003, 32(10): 1166.

[6] Ding F X, Wang L, Fang N.Proc.SPIE Optical Sensors and Biophotonics Ⅱ, 2011, 7990: 79900C.

[7] David N A, Wild P M, Djilali N.Measurement Science & Technology, 2012, 23: 035103.

[8] MIAO Yin-ping, LIU Bo, LIU Jian, et al(苗銀萍, 劉 波, 劉 健, 等).Journal of Optoelectronics Laser (光電子 激光), 2010, 21(7): 978.

[9] Gu B, Yin M J, Zhang A P, et al.Optics Express, 2011, 19(5): 4140.

[10] Yuan W, Khan L, Webb D J, et al.Optics Express, 2011, 19(20): 19731.

[11] Awakuni Y, Calderwood J H.Journal of Physics D: Applied Physics, 1972, 5(5): 1038.

[12] Tiefenthaler K, Lukosz W.Thin Solid Films, 1985, 123(3): 205.

[13] Mohammed W S, Mehta A, Johnson E G Journal of Lightwave Technology, 2004, 20(2): 469.

[14] Feit M D, Fleck J A.Applied Optics, 1978, 17(24): 3990.

(Received Jan.8, 2015; accepted May 16, 2015)

Fiber Humidity Sensor Based on Fiber Bragg Grating Sandwiched in SMS Fiber Structure

SHAO Min1，2，QIAO Xue-guang3，FU Hai-wei1，LI Yan1，YAO Ni4，JIA Zhen-an1

1.Shaanxi Key Laboratory of Photoelectric Oil-gas Logging and Detecting, School of Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China 2.Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China 3.School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China 4.National Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Department of Optical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

A fiber humidity sensor based on Fiber-Bragg Grating (FBG) sandwiched in single-mode-multimode fiber core-single mode (SMS) fiber structure is proposed and demonstrated.When the surrounding humidity changes, the central wavelength of FBG remains unchanged for it is insensitive to humidity, while the interference spectrum of SMS fiber structure will shift for it is sensitive to the surrounding humidity.Hence, the shift of the SMS fiber structure interference spectrum with humidity could modulate the FBG core mode.Through measuring the reflected power of the FBG core mode the detection of humidity can be realized.The beam propagation of the SMS fiber structure with different lengths of multimode fiber core (MMFC), diameters of MMFC, and surrounding refractive indices are theoretically simulated with beam propagation method.Theoretical simulation indicates that the output core mode power coefficients shift with surrounding humidity of the SMS fiber structure.Experimental results show that the sensor has a linear response to humidity with enhanced sensitivity of 0.06 dBm·(%RH)-1in the humidity range of 45%～95%RH with length of 35 mm and diameter of 85 μm.The temperature effect of the sensor is also discussed, the temperature sensitivity is 0.008 nm·℃-1in the temperature range of 20～80 ℃ and the measurement error of temperature is 0.047% RH·℃-1.Such cost-effective, high sensitive, and reflective power detection based optical fiber humidity sensor could be used in humidity sensing applications.

Fiber Bragg Grating；Single-mode-multimode fiber core-single mode fiber structure；Humidity sensing

2015-01-08，

2015-05-16

國家自然科學基金項目(61275088, 61327012)和陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2016JQ6021)資助

邵 敏，女，1979年生，西安石油大學理學院副教授 e-mail: shaomin@xsyu.edu.cn

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-3008-06