同時測量溫度與折射率的細芯錐形光纖傳感器*

陳海林，江 超，郭小珊，申萬梅，陶武強，李 宏

(湖北師范大學物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

全光纖干涉儀傳感器因結構緊湊、靈敏度高、制作容易、結構重復性好等特點而受到廣泛關注[1－2]。利用“單模光纖－多模光纖－單模光纖”(single mode fiber-multimode fiber-single mode fiber，SMS)拼接構成的光纖干涉儀傳感器被開發出來，而且大量類似SMS結構的光纖傳感器也被提出[3－10]。SMS 結構傳感器一般具有尺寸小、成本低、魯棒性好、靈敏度高、響應快速等優點，但SMS 結構有時要用到價格較貴的特種光纖，拼接參數難以精確控制，結構重復性稍差。錐形光纖的纖芯與包層尺寸很小，它表面的倏逝場極易受到外部環境參量的影響，利用錐形光纖制作的傳感器靈敏度更高。近年來，一些研究者對SMS 結構再進行拉錐，提高了傳感器的靈敏度，縮短了傳感器的響應時間[11－14]。細芯光纖具有更小的纖芯直徑，傳輸光受約束的范圍更小，細芯光纖構成的干涉儀傳感器也得到了關注[15－18]。細芯光纖拉錐后，光纖中傳輸的模式與環境參量作用增強，增大了對環境參量的敏感性，提高了測量靈敏度[17－18]。本文利用單模光纖、無芯光纖、細芯光纖拼接了一款類似于SMS 的結構，并且對結構中細芯光纖進行精準拉錐，得到一個結構對稱的馬赫－澤德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer，MZI)傳感器，該傳感器能夠對環境溫度與折射率進行同時測量，消除了交叉敏感。與文獻[17－18]相比，設計的傳感器采用了無芯光纖進行耦合，沒有采用CO2激光器對細芯光纖進行周期性拉錐，而是采用光纖熔接機的拉錐功能對細芯光纖進行精準拉錐，制作相對簡單些。同時，與沒有拉錐的SMS 結構相比[7，19]，傳感器的折射率靈敏度提高了不少，溫度靈敏度與類似結構的光纖干涉儀溫度傳感器相當[4－5]。設計的傳感器拼接容易、集成度高、折射率靈敏度高，在工業生產與日常生活中有一定的應用前景。

1 傳感器結構與原理分析

傳感器制作需要用到三種光纖，均由武漢長飛光纖光纜有限公司生產:(1)普通單模光纖(single mode fiber，SMF)，纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm；(2)細芯光纖(thin core fiber，TCF)，纖芯直徑為3.8 μm，包層直徑為125 μm；(3)無芯光纖(no-core fiber，NCF)，包層直徑為125 μm。傳感器結構如圖1 所示，傳感器制備需要經過兩個步驟:

圖1 光纖拼接拉錐構成的MZI 示意圖與光路圖

第一步，幾種光纖拼接構成MZI 結構。將上面幾種光纖按照“單模－無芯－細芯－無芯－單?！惫饫w結構進行拼接。SMF 作為輸入與輸出端，NCF 起耦合作用，TCF 作為主要傳感元件。其中，兩邊起耦合作用的NCF 長度控制為2 mm。TCF 長度可以進行實驗優化，把拼接結構的一端連接寬帶光源，一端連接光譜分析儀，當TCF 長度分別為4 cm、5 cm、5.5 cm、6 cm、7 cm 時獲得圖2 所示的透射譜，經過反復對比與優化，發現TCF 長度為5.5 cm 時，MZI透射譜具有更好的條紋顯示度。最終制備的MZI中TCF 長度為5.5 cm。

圖2 MZI 中細芯光纖取不同長度時的透射譜

第二步，對拼接好的MZI 中的TCF 進行拉錐。采用日本藤倉公司生產的大芯徑多功能光纖熔接機(型號為FSM－100P＋)的拉錐功能對TCF 進行拉錐。將MZI 中間部分的TCF 固定在FSM－100P＋中，調節好光纖位置，將FSM－100P＋設置為拉錐模式。拉錐參數設置為:拉錐后腰部直徑40 μm，腰部直錐體長度為4 mm，左右兩邊的錐形部分長度為5 mm[13]。設定好拉錐程序后，對TCF 進行拉錐。當TCF 的錐形參數拉制成功后，傳感器結構制備完成。

圖3 為拉錐的MZI 和未拉錐的MZI 的透射光譜在1 300 nm～1 600 nm 之間的對比圖，從圖3 中發現未拉錐的透射光譜諧振峰較少，條紋間隔較大。經過拉錐之后，由于TCF 的包層和纖芯尺寸變小，增強光纖干涉條件，因此在透射光譜中出現更多敏感的諧振峰。圖4 為拉錐MZI 傳感器在1 350 nm～1 500 nm 之間的初始透射譜，后面實驗選擇間隔比較大的波谷Dip 1 與Dip 2 來研究傳感器的特性。

圖3 拉錐的MZI 和未拉錐的MZI 的透射譜

由圖4 的傳感器光譜圖經傅里葉變換得到圖5的傳感器空間頻譜圖，其中基模與第1 階包層模式在光譜功率成分中所占比重最大，它們對光譜的形成起主要作用。其余十多個高階模式，在光譜成分中所占比重較小，對光譜形成有一定的貢獻。說明傳感器光譜是多模干涉形成的。

圖4 傳感器的透射譜

圖5 傳感器的頻譜圖

光在傳感器中傳輸的光路如圖1 所示，在傳感器中起主要作用的是細芯光纖，兩邊的無芯光纖起耦合作用。當光場傳播到輸入單模光纖與無芯光纖的熔接截面時，由于芯徑不匹配，在熔接處激發出多個光模式，這些激發的模式又耦合進細芯光纖中傳輸，當到達細芯光纖錐形部分，一部分沿著細芯光纖纖芯傳輸，一部分沿著細芯光纖包層傳輸，兩路光進一步被約束，纖芯中光繼續傳播，包層光進一步被約束在包層內外表面傳播，兩路光形成光程差，最后經過無芯光纖耦合進輸出單模光纖產生干涉，構成一個MZI。為了簡化分析過程，假設由細芯光纖中傳輸的兩個主要模式引起的光程差形成干涉，設細芯光纖的纖芯模為LPμ和包層模為LPν，則LPμ與LPν的相位差φμ，ν:

式中:λ為自由空間光波波長，Δneff為細芯光纖中纖芯模和包層模有效折射率之差，L為細芯光纖長度。當相位差滿足干涉條件時，依據公式(1)可得干涉儀透射波m階諧振峰波谷波長:

當傳感器的外界參量波動時，會使傳感器中Δneff和L發生一定的微小變化，依據公式(2)，將引起傳感器λm發生漂移。因此考察λm的漂移量，能夠解調出溫度或折射率等環境參量的值。還可以利用公式(2)估算傳感器的溫度或折射率靈敏度。

2 實驗結果與分析

2.1 溫度實驗

利用管式爐進行溫度實驗研究，圖6 為溫度傳感實驗裝置圖。主要包括光纖固定平臺、寬帶光源(broadband light source，BBS)、光譜分析儀(optical spectrum analyzer，OSA)、精密可控溫度爐等主要設備。BBS 為自發輻射光源，光譜范圍1 250 nm～1 650 nm；OSA 采用日本橫河公司生產的AQ6370D，測量范圍600 nm～1 700 nm，精度±0.1 nm。管式爐為合肥科晶公司生產，具有較好的溫度穩定性，管內部的溫度場特別穩定，溫度可控。

圖6 傳感器溫度實驗裝置示意圖

①選擇波谷Dip 1 與Dip 2 進行低溫實驗。調整控溫程序，使溫度爐溫度從20 ℃到150 ℃，溫度升降步長為10 ℃，每改變一次溫度記錄一次傳感器透射譜。在每個記錄點保持溫度10 min 不變，然后記錄保存相關的光譜數據。然后控制溫度爐使溫度從150 ℃到20 ℃，按照上面方法進行降溫實驗。

圖7 為傳感器透射譜中波谷Dip 1 隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖7 可以發現，隨著溫度上升，透射譜的諧振峰產生紅移。對波谷Dip 1 的中心波長隨溫度的變化關系進行線性擬合，得到線性擬合度R2＝0.990 2，表明波谷Dip 1 的中心波長漂移量與環境溫度之間有極好的線性關系，波谷Dip 1 的溫度靈敏度為33.63 pm/℃。當溫度從150 ℃降低到20 ℃時，獲得相同的變化與擬合曲線。圖8 為傳感器透射譜中波谷Dip 2 隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖8 可以發現，隨著溫度上升，透射譜的諧振峰也產生紅移。對波谷Dip 2 的中心波長隨溫度的變化關系進行線性擬合，得到線性擬合度R2＝0.994 0，表明波谷Dip 2 的中心波長漂移量與環境溫度之間也有極好的線性關系，波谷Dip 2 的溫度靈敏度為25.8 pm/℃。當溫度從150 ℃降低到20 ℃時，獲得相同的變化與擬合曲線。因此能夠采用波長調制解調法測量環境溫度。與文獻[4－5]的光纖干涉儀溫度傳感器相比，傳感器的溫度靈敏度提高了近2 倍。

圖7 波谷Dip 1 的中心波長隨溫度的變化圖與擬合圖

圖8 波谷Dip 2 的中心波長隨溫度的變化圖與擬合圖

②選擇波谷Dip 3 進行高溫實驗。調整控溫程序，使溫度爐溫度從150 ℃到500 ℃，溫度升降步長為50 ℃～100 ℃，每改變一次溫度記錄一次傳感器透射譜。在每個記錄點保持溫度10 min 不變，然后記錄保存相關的光譜數據。然后控制溫度爐使溫度從500 ℃到150 ℃，按照上面方法進行降溫實驗。

圖9 為傳感器透射譜中波谷Dip 3 隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖9 可以發現，隨著溫度上升，透射譜諧振峰產生紅移。對波谷Dip 3 的中心波長隨溫度的變化關系進行線性擬合，得到線性擬合度R2＝0.973 6，表明波谷Dip 3 的中心波長漂移量與環境溫度之間有較好的線性關系，波谷Dip 3 的溫度靈敏度為23.4 pm/℃。當溫度下降時獲得相同的變化與擬合曲線。在實驗中發現當溫度超過500 ℃時，傳感器結構發出焦味、變形嚴重，溫度無法再增加，說明光纖拉錐以后承受高溫能力會變差。另外，高溫時擬合的線性度稍低，但溫度靈敏度基本與低溫的相近。因此能夠采用傳感器來測量低于500 ℃的環境溫度。

圖9 波谷Dip 3 的中心波長在高溫時的變化圖與擬合圖

2.2 折射率實驗

折射率實驗裝置圖如圖10 所示，傳感器輸入端接寬帶光源，輸出端接光譜分析儀。傳感器兩端用光纖夾持器固定使其處于拉直狀態，傳感頭浸沒在水槽溶液內。采用不同濃度的蔗糖溶液來進行折射率實驗研究，不同的蔗糖濃度可以依據經驗公式換算為不同的折射率。在實驗前，用蒸餾水把水槽清洗干凈，確保無其他成分的折射率干擾實驗測量結果。在實驗時，將配制好的蔗糖溶液注入水槽中使傳感頭完全浸沒，等待約2 min，待光譜穩定以后記錄數據。每次測量后，利用蒸餾水和無水乙醇對水槽和傳感頭進行清洗，清洗干凈后再注入其他濃度的蔗糖溶液進行實驗。按照上面步驟完成所有折射率測量實驗。

圖10 傳感器折射率實驗裝置示意圖

圖11 為傳感器透射譜中波谷Dip 1 隨折射率的變化圖與擬合圖。從圖11 可以發現，對于波谷Dip 1，隨著折射率增大，諧振峰藍移。當蔗糖溶液折射率發生變化時，中心波長隨折射率線性變化，線性擬合度R2＝0.986 1，折射率靈敏度達到－135 nm/RIU(RIU 為refractive endex unit 的縮寫)。

圖11 波谷Dip 1 的中心波長隨折射率的變化圖與擬合圖

圖12 為傳感器透射譜中波谷Dip 2 隨折射率的變化圖與擬合圖。從圖12 可以發現，對于波谷Dip 2，隨著折射率增大，諧振峰藍移。當蔗糖溶液折射率發生變化，中心波長隨折射率線性變化，線性擬合度R2＝0.976 6，折射率靈敏度達到－80.29 nm/RIU。因此也可以采用波長調制解調法測量外界折射率。與文獻[19]相比較，由于細芯光纖被拉錐，傳感器的折射率靈敏度提高了2 倍多。

圖12 波谷Dip 2 的中心波長隨折射率的變化圖與擬合圖

2.3 雙參量同時測量分析

以上分別研究了傳感器的溫度與折射率特性，結果表明隨著環境溫度與折射率變化，傳感器透射譜諧振峰波谷的中心波長線性漂移。選擇傳感器諧振峰波谷Dip 1 與Dip 2 的低溫靈敏度與折射率靈敏度來構建傳輸矩陣，能夠完成溫度與折射率的在線同時測量，避免交叉敏感。設傳感器波谷Dip 1 與Dip 2 的中心波長分別為λ1和λ2，當環境溫度與折射率均發生變化時，會同時影響到波谷Dip 1 與Dip 2 的中心波長發生漂移。設Δλ1和Δλ2分別為兩個中心波長的漂移量，ΔT為環境溫度變化量，Δn為外界折射率變化量，α1和α2分別為Dip 1 與Dip 2 的溫度靈敏度，β1和β2分別為Dip 1 與Dip 2 的折射率靈敏度。實驗測得α1＝33.63 pm/℃，α2＝25.8 pm/℃，β1＝－135 nm/RIU，β2＝－80.29 nm/RIU，根據矩陣理論，可得矩陣[19]:

對矩陣(3)求逆矩陣得到測量的溫度與折射率值。

3 結論

基于馬赫－則德爾干涉原理，設計了一款多參量測量光纖傳感器。傳感器由單模光纖、無芯光纖、細芯光纖等幾種不同光纖拼接而成，利用大芯徑多功能熔接機對傳感器中的細芯光纖進行了拉錐，提高了傳感器的折射率靈敏度。通過研究傳感器透射譜與環境溫度和折射率之間的變化關系，完成了溫度與折射率的雙參量同時測量，獲得了較高的測量靈敏度，消除了交叉敏感。設計的傳感器尺寸小、結構簡易、制作容易、靈敏度較高、結構重復性好，在生物、化學和醫學等領域具有一定的應用價值。