一種雙參量同時測量的MZI傳感器

江 超，吳 欣，郭小珊，陶武強

(湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

全光纖干涉儀型光纖傳感器因結構緊湊、制作簡單、靈敏度高等特點受到了廣泛關注[1-2]。1984年，Govind等[3]首次提出用多模內部模式干涉理論解釋光學耦合器中光場的傳輸，給出了單模光纖-多模光纖-單模光纖拼接結構(SMS)的分析方法。1997年，Donlagicd等[4]第一次提到SMS結構在傳感領域應用的可行性。此后，國內外對SMS結構的研究達到高潮，出現了大量SMS結構或類似SMS結構的光纖干涉儀傳感器[5-11]。在這些結構中，有的用到價格較貴的特種光纖，有的拼接復雜，制作難度大。而且，這些結構中拼接光纖的參數、光纖中傳輸的模式數量都對傳感器特性具有較大影響，制作時需要反復優化才能夠獲得最佳靈敏度。無芯光纖是一種沒有纖芯只有包層的光纖，光在包層中傳輸，包層直接與外界環境相接觸。由于環境參數的變化極易造成無芯光纖包層有效折射率的變化，因此利用無芯光纖構造類似SMS結構能夠實現環境參量的測量[12-18]。如果再對結構中的無芯光纖進行拉錐，使它的包層厚度更小，接近微型光纖，便可以進一步增強光纖中傳輸的光與外界環境介質的相互作用，使敏感性增加，提高測量靈敏度[19-20]。

鑒于此，本文利用單模光纖與無芯光纖拼接一個類似于SMS的結構，再利用特種光纖熔接機對無芯光纖部分進行精準拉錐，得到一個對外界環境參量變化更加敏感的馬赫-澤德爾干涉儀(MZI)傳感器，以實現對軸向應變與環境折射率的同時測量。

1 傳感器結構與原理

1.1 結構制備

2種光纖拼接拉錐構成的MZI傳感器結構示意圖與光路圖如圖1所示。MZI傳感器結構制備過程如下。

1)2種光纖正對拼接制備MZI結構。選用標準單模光纖(武漢長飛光纖光纜有限公司，纖芯直徑9 μm，包層直徑125 μm)與無芯光纖(武漢長飛光纖光纜有限公司，包層直徑125 μm)，按照單模光纖-無芯光纖-單模光纖進行拼接。寬帶光源接MZI的輸入端，光譜分析儀接MZI的輸出端，當無芯光纖取不同長度時，觀察MZI的透射譜。經過反復對比與優化，發現無芯光纖長度為51 mm時，MZI透射譜具有更好的條紋顯示度。

2)對制備好的MZI無芯光纖部分進行拉錐。將MZI的無芯光纖部分固定在FSM-100P+大芯徑多功能光纖熔接機(日本藤倉公司)上進行拉錐。拉錐參數設置為：拉錐后腰部最小直徑為45 μm，中間直錐體長度為3 mm，左右兩邊的錐形部分長度為6 mm。在拉錐過程中，接入寬帶光源與光譜分析儀，實時觀察光譜變化，對光纖拉錐過程進行監控。無芯光纖的錐體拉制成功后，MZI傳感器結構制備完成。

圖1 2種光纖拼接拉錐構成的MZI傳感器結構示意圖與光路圖

1.2 測量原理

拉錐前后MZI結構的初始透射譜對比如圖2所示。從圖2可以看出，未拉錐時透射譜諧振峰較少，條紋間隔較大。拉錐之后透射譜中出現更多敏感的諧振峰。這是由于無芯光纖包層的厚度變小，產生的干涉模式更多。

圖2 拉錐前后MZI結構的初始透射譜對比

傳感器的初始透射譜如圖3所示，選擇自由空間間隔比較大的波谷Dip 1與Dip 2來研究傳感器的特性。傳感器的空間頻譜如圖4所示。從圖4可以看出，傳感器是一個多模干涉的過程。其中，基模與3個低階模式在光譜功率成分中占比最大，對光譜的形成起主要作用。還有許多高階模式，在光譜成分中占比較小，對光譜形成也有一定的貢獻。

圖3 傳感器的初始透射譜

圖4 傳感器的空間頻譜

結合圖1中光路圖可以看出，起傳感作用的主要是拉錐后的無芯光纖。當光傳播到光纖的第1個熔接點(單模光纖+無芯光纖)時，由于2種光纖的芯徑不匹配，在熔接處激發出多個光模式。這些被激發出的模式耦合進入無芯光纖傳輸時，一部分沿著無芯光纖中心部分傳輸，另一部分沿著無芯光纖包層內表面傳輸，2路光傳播時形成光程差，最后在光纖的第2個熔接點(無芯光纖+單模光纖)處都耦合到輸出單模光纖中產生干涉，構成一個Mach-Zehnder干涉儀。為了簡化分析過程，只考慮在無芯光纖中傳輸的2個主要模式形成干涉。假設這2個主要傳輸模式分別為沿著無芯光纖中心部分傳輸的模式LPm和沿著無芯光纖包層內表面傳輸的模式LPn，則LPm與LPn的相位差?mn為：

(1)

式(1)中，Δneff為無芯光纖中LPm模式與LPn模式的有效折射率差；λ為空間自由光波長；L為無芯光纖長度。由式(1)可知，當相位差滿足干涉條件時，干涉儀透射譜的k階波谷中心波長為：

(2)

當傳感器的外界參量發生改變時，2個主要模式的有效折射率差以及無芯光纖的長度發生變化，導致傳感器的透射譜發生漂移。因此，可以通過觀察透射譜諧振峰波谷的中心波長變化量進行軸向應變與折射率的測量，并利用公式(2)計算其理論靈敏度。

2 實驗結果與分析

2.1 應變實驗

傳感器軸向應變實驗選用的寬帶光源為自發輻射光源，光譜范圍為1 250～1 650 nm；光譜分析儀(AQ6370D，日本橫河公司)測量的光譜范圍為600～1 700 nm，精度±0.1 nm。將傳感器固定在2個等高的位移平臺之間，并將其調整到拉直狀態，用AB膠把2個固定點粘牢，完全干燥后再進行軸向應變實驗。實驗通過調節右邊位移平臺的千分尺給傳感器施加不同的軸向應變，千分尺每轉動1次就記錄1次實驗數據。軸向應變計算公式為：

ε=Δd/d

(3)

式(3)中，ε為對傳感器施加的軸向應變量；Δd為位移平臺的位移量；d為傳感器兩固定端之間距離。

波谷Dip 1隨軸向應變的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著ε增加，波谷Dip 1的中心波長向短波長方向漂移(藍移)。將測得的數據用Matlab軟件進行擬合，得到波谷Dip 1的中心波長與軸向應變之間的變化關系如圖6所示。從圖6可以看出，波谷Dip 1的中心波長漂移量與軸向應變之間有極好的線性關系，線性擬合度R2=0.9967，波谷Dip 1的軸向應變靈敏度α1=-5.143 pm/με。

圖5 波谷Dip 1隨軸向應變的變化曲線

圖6 波谷Dip 1的中心波長與軸向應變之間的變化關系

波谷Dip 2隨軸向應變的變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著ε增加，波谷Dip 2的中心波長也向短波長方向漂移(藍移)。將測得的數據用Matlab軟件進行擬合，得到波谷Dip 2的中心波長與軸向應變之間的變化關系如圖8所示。從圖8可以看出，波谷Dip 2的中心波長漂移量與軸向應變之間有極好的線性關系，線性擬合度R2=0.9975，波谷Dip 2的軸向應變靈敏度α2=-7.829 pm/με。

圖7 波谷Dip 2隨軸向應變的變化曲線

圖8 波谷Dip 2的中心波長與軸向應變之間的變化關系

2.2 折射率實驗

寬帶光源輸出接傳感器輸入端，光譜分析儀接傳感器輸出端，將傳感器兩端用光纖夾持器固定使其處于拉直狀態。傳感器浸沒在水槽內，采用蔗糖溶液來進行折射率實驗，蔗糖溶液折射率變化范圍為1.33～1.38。首先，徹底清洗傳感器，將蒸餾水注入水槽中至傳感器完全浸沒，等待約30 s，將蒸餾水吸出；注入無水乙醇至傳感器完全浸沒，等待30 s，將無水乙醇吸出。待傳感器上的無水乙醇完全揮發，將配制好的蔗糖溶液注入水槽至傳感器完全浸沒，等待約2 min，待光譜穩定后記錄數據。最后，用蒸餾水和無水乙醇對水槽和傳感器進行清洗，依次注入不同折射率的蔗糖溶液，直到完成所有折射率測量實驗。

波谷Dip 1隨折射率的變化曲線如圖9所示，波谷Dip 1的中心波長與折射率之間的變化關系如圖10所示。從圖9和圖10可以看出，隨著環境折射率增加，波谷Dip 1光譜曲線紅移，中心波長隨折射率線性變化，線性擬合度R2=0.9813，折射率靈敏度β1=330.2 nm/RIU，靈敏度較高。

圖9 波谷Dip 1隨折射率的變化曲線

圖10 波谷Dip 1的中心波長與折射率之間的變化關系

波谷Dip 2隨折射率的變化曲線如圖11所示，波谷Dip 2的中心波長與折射率之間的變化關系如圖12所示。從圖11和圖12可以看出，隨著環境折射率增加，波谷Dip 2光譜曲線紅移，中心波長隨折射率線性變化，線性擬合度R2=0.9694，折射率靈敏度β2=237.1 nm/RIU，靈敏度較高。

圖11 波谷Dip 2隨折射率的變化曲線

圖12 波谷Dip 2的中心波長與折射率之間的變化關系

2.3 實驗結果討論

軸向應變或外界折射率均會使傳感器干涉譜諧振峰的中心波長發生線性漂移，且兩者造成的漂移方向是不一樣的，存在交叉敏感。利用傳感器透射譜中波谷Dip 1與Dip 2測得的折射率與應變的靈敏度構建傳輸矩陣，能夠同時測量應變與折射率，避免交叉敏感相互影響。

設λ1和λ2分別為波谷Dip 1與Dip 2的中心波長，如果傳感器監測到環境折射率與軸向應變同時變化時，2個波谷的中心波長均會發生漂移，漂移量計算公式為[11-12]：

Δλ1=α1Δε+β1Δn

(4)

Δλ2=α2Δε+β2Δn

(5)

式(4)～(5)中，Δλ1為λ1的變化量；Δλ2為λ2的變化量；Δε為軸向應變的變化量；Δn為環境折射率的變化量；α1為波谷Dip 1的軸向應變靈敏度;α2為波谷Dip 2的軸向應變靈敏度；β1為波谷Dip 1的環境折射率靈敏度;β2為波谷Dip 2的環境折射率靈敏度。由前面實驗測得，α1=-5.143 pm/με，α2=-7.829 pm/με，β1=330.2 nm/RIU，β2=237.1 nm/RIU，根據矩陣理論，由式(4)和(5)可得到測量矩陣為：

(6)

3 結論

設計了一款雙參量同時測量的MZI光纖傳感器，利用無芯光纖與單模光纖進行正對拼接然后拉錐而構成。通過分析傳感器的透射譜與軸向應變和環境折射率的變化關系，發現透射譜中波谷的中心波長與軸向應變、環境折射率之間存在極好的線性變化關系。選擇2個波谷的軸向應變與環境折射率靈敏度，構建測量矩陣，完成了軸向應變與環境折射率雙參量的同時測量。傳感器具有較高的測量靈敏度，體積小、結構緊湊、結構重復性好，在工業、國防、民用與科學研究等方面有一定的應用價值。