微納光纖耦合應變傳感器

彭保進，李連琴，馬倩倩，王夢嬌，王增輝

（浙江師范大學信息光學研究所，浙江金華321004）

1 引 言

光纖耦合器是一種對光波長、偏振光和光功率的比例分配與合成的重要無源器件。在波導中傳輸的光信號在耦合區域發生交替轉移，首先在纖芯內傳輸的光會向包層擴散，然后通過包層耦合到旁邊的光纖內，即光信號從直通臂耦合到耦合臂中［1-2］。光纖耦合應變傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、可遠程監測和成本低等優點，相比傳統體積較大的光學儀器更易于實現小型化和便攜化［3-6］，因此，近年來成為研究熱點。

應變測量在大型建筑結構的安全控制和航空航天領域起到非常重要的作用［7-9］。目前，研究人員已經開發了各種類型的光纖結構用于應變傳感，如光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）［10-11］、長周期光柵［12-13］、光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）［14］。Kuwahara 等人將多根多模光纖纏繞在一起，同時把耦合區浸沒在匹配液中，通過這種方法成功研制出世界上第一個光纖耦合器［15］。Yamamoto 等人利用化學腐蝕的方法，完成了錐形結構光纖耦合器的制作［16］。Kawasaki 和Hill 把熔融和拉伸兩種工藝結合在一起，首次成功制作了熔錐型耦合器［17］。Sun 等人提出了一種自動電弧放電技術，通過使用商業融合成螺旋形地扭曲的長周期光纖光柵（H-LPFGs）［18］，結構的軸向應變靈敏度大約為1.88 pm/με，而拉伸應變με 從0 提高到480。Dash 等人報道一個緊湊的石墨烯氧化物（去）涂覆PCF干涉儀，基于簡單的裂開和拼接SMF 和PCF 的應變傳感器［19］，這種傳感器的靈敏度為3.1 pm/με。Duan 等人證明了全光纖光學FPI 應變傳感器的腔是一個微小的氣泡，應變靈敏度約為4 pm/με［20］。陳劍等人研究了一種玻璃纖維封裝的FBG 應變傳感器［21］，這種傳感器的靈敏度為1.195 pm/με。2020 年，郝子鑒等人提出一種基于拉錐FBG 的法布里-珀羅應變傳感器的仿真研究［22］，在0～300 με 內應變傳感靈敏度為7.05 pm/με。

然而，上述傳感器的靈敏度較低，并且制作工藝復雜。本文提出一種高靈敏度的微納光纖耦合應變傳感器，采用拉錐技術和光電技術，利用拉錐后的強倏逝場特性，探究其傳光特性，并進行實時在線監測。該傳感器性能良好，具有制作工藝簡單、穩定性好和集成度高等特點，在安全檢測等領域具有重要的應用價值。

2 傳感器制作及原理分析

2.1 傳感器的制備

采用光纖拉錐機制作微納光纖，將一根單模光纖（型號：G652D）與光源和光譜儀連接，剝掉中間部分約2 cm 長的涂覆層，用無塵紙蘸取少量酒精搽拭干凈，將單模光纖放置在拉錐平移臺上。再取用一段單模光纖（長度約為9 cm），同樣將光纖中間剝掉約2 cm 長的涂覆層，將兩根光纖放在拉錐平臺的通道中并進行打結（如圖1（a）所示）。利用微納光纖以及常規光纖3 dB 耦合器研制技術，制作出微光纖耦合器，其結構示意圖如圖1（b）所示。微光纖耦合器的組成部分可分為兩個錐形過渡區和一個中間均勻腰區，并帶有4個尾纖端口。該傳感器的制作是在長度為2.5 cm 左右的范圍內纏繞2～3 圈，光纖具有較好的抗拉性。

2.2 傳感原理

圖1 光纖拉錐耦合結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of fiber optic tapering coupling structure

微納光纖耦合傳感器如圖1（b）所示，拉錐后的耦合器可分為強耦合區和弱耦合區。運用模式耦合理論進行分析，兩根光纖中傳輸的光會在錐區部分進行能量耦合交換。隨著耦合區的加長，能量的耦合交換呈現周期性變化［23］。

耦合模理論廣泛地應用于光波導和波導器件的分析和設計中［24-26］。在逐漸拉錐光纖的過程中，光的模場耦合非常劇烈，此時可以忽略光纖纖芯。在耦合部分將原光纖包層視為纖芯，周圍環境視為包層，形成一個新的復合波導，此時強融合系數的表達式為［27-28］：

其次，在弱融模式下，熔錐形單模光纖耦合器的耦合系數表示式可以簡化成［27］：

強耦合系數和弱耦合系數沿z軸的積分在耦合區可以確定入射光通過的光纖與耦合光通過的光纖之間的相位差，并表示為［27］：

對于測試傳感器的應變響應性能，不同應變參數使耦合器的耦合區產生應變，進而導致耦合器的耦合長度和折射率發生變化。考慮耦合區長度Leff的變化對耦合輸出的影響。應變后傳感器的耦合輸出可以表示為［29-31］：

2.3 實驗裝置

首先，將兩端單模光纖通過光纖熔接機進行放電熔接，然后將兩根單模光纖置于拉錐平臺（型號：IPCS-5000-SMT）上，圖2 是制備的微納光纖操作圖。通過電腦控制步進電機，觀察電腦上設置的氫氣流量參數是否與氫氣發生器一致，點燃氫氣，在電腦端設置所需數據參數，待火焰穩定后啟動光纖拉錐機。

圖2 微納光纖拉制系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of micro-nano fiber drawing system

圖3 為高靈敏度光纖耦合應力傳感器的實驗裝置。將制作好的光纖耦合器采用M-Bond 600型黏結劑粘在楊氏模量儀的鋼絲上，將傳感器的兩端分別連接寬帶光源和光譜儀。待楊氏模量儀的鋼絲達到平衡后，依次增加砝碼質量，觀察光譜儀的譜線變化并記錄數據。砝碼質量與光纖應變的關系表示為［32］：

式中：m是砝碼的質量，g是重力常數，S是鋼絲的橫截面積，Y是鋼絲的楊氏模量，ε是光纖應變。

圖3 高靈敏度光纖耦合應力傳感器實驗裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of experimental devices for high-sensitive optical fiber coupled stress sensor

3 實驗結果及數據分析

圖4 所示是在顯微鏡下拉錐后的光纖圖像，從圖中可以看出均勻腰區已基本熔錐成一根微光纖。圖4（a）的拉錐長度為40 mm，耦合直徑為18.961 μm；圖4（b）的拉錐長度為41 mm，耦合直徑為13.343 μm。圖5 所示是光纖拉錐前后的干涉光譜，當拉錐長度為40 mm 時，自由光譜范圍為13.485 nm，消光比分別為15.777，12.986 dBm；拉錐長度為41 mm 時，自由光譜范圍分別為9.259 7，8.450 6 nm，消光比分別為12.869，10.866 dBm。實驗表明，通過減小耦合器耦合部分的尺寸，提高了傳感器的靈敏度。錐區長度越長，干涉譜的自然光譜范圍和消光比越小，得到［7］：

式中：Δλ是兩個相鄰波谷之間的距離，Δneff是纖芯和包層之間的有效折射率之差，L是干涉儀的干涉長度。

圖4 不同拉錐長度的光纖顯微鏡圖像Fig. 4 Microscope images of optical fiber with different pulling cone lengths

圖6（a）所示是不同應變在拉錐長度為40 mm 時的透射光譜。當傳感器的縱向應變逐漸增加時，干涉譜線發生藍移。當應變為109.860 με～559.287 με 時，對干涉譜中的波谷進行數據分析，3 個波谷的線性擬合結果如圖7（a）所示。從圖中可以看出，傳感器dip1 的靈敏度為16.2 pm/με，相關線性系數為99.9%；傳感器dip2 的靈敏度為15.7 pm/με，相關線性系數為99.84%；傳感器dip3 的靈敏度為18.9 pm/με，相關線性系數為99.98%。由此可知，該傳感器具有線性度高、穩定性好等優點。

圖5 不同拉錐長度光纖的透射光譜Fig. 5 Transmission spectra of optical fiber with different pulling cone lengths

圖6 不同應變下光纖的透射光譜Fig. 6 Transmission spectrogram of optical fiber under different strains

圖7 應變與波長的擬合關系Fig. 7 Fitting curves of strain and wavelength

圖6（b）所示是不同應變在拉錐長度為41 mm 時的透射光譜。當傳感器的縱向應變逐漸增加時，干涉譜線發生藍移。當應變在109.860 με～559.287 με 變化時，譜線發生明顯的漂移，該傳感器具有很好的響應性。數據處理結果如圖7（b）所示，傳感器dip1 的靈敏度為19.9 pm/με，相關線性系數為99.9%；傳感器dip2 的靈敏度為18.85 pm/με，相關線性系數為99.7%；傳感器dip3 的靈敏度為19.84 pm/με，相關線性系數為99.9%；傳感器dip4 的靈敏度為20.35 pm/με，相關線性系數為99.9%。

圖8（a）所示是不同應變在拉錐長度為40 mm 的透射光譜，當傳感器的縱向應變逐漸增加時，干涉譜線發生紅移。當應變在559.287 με～109.860 με 變化時，對干涉光譜進行數據分析，3個波谷的線性擬合結果如圖9（a）所示。dip1，dip2，dip3 的靈敏度分別為14.53，14.34，15.59 pm/με，相關線性系數分別為 99.816%，99.957%，99.869%。

圖8 不同應變下光纖的透射光譜Fig. 8 Transmission spectrogram of optical fiber under different strains

圖9 應變與波長的擬合關系Fig. 9 Fitting curves of strain and wavelength

圖8（b）所示是不同應變在拉錐長度為41 mm 的透射光譜，當傳感器的縱向應變逐漸增加時，干涉譜線發生紅移。當應變在559.287 με～109.860 με 變化時，對干涉光譜進行數據分析，4個波谷的線性擬合結果如圖9（b）所示，dip1，dip2，dip3，dip4 的靈敏度分別為19.96，19.15，19.65，20.14 pm/με，相關線性系數分別為99.675%，99.893%，99.909%，99.9%。通過對不同直徑的傳感器進行反復測量，實驗結果得出該傳感器具有較好的可逆性與穩定性。

圖10 不同溫度下譜線漂移的變化Fig. 10 Variation of spectral line drift at different temperatures

圖11 不同波谷下溫度與波長的線性擬合Fig. 11 Linear fitting of temperature and wavelength at different troughs

圖10 為不同溫度下光纖的透射光譜，在38～82 ℃內，隨著溫度的不斷升高，譜線發生藍移。如圖11 所示，dip1，dip2，dip3 特征波長的漂移量的線性擬合度分別為0.963 22，0.956 51，0.949 44，dip1，dip2，dip3 的溫度靈敏度分別為235.1，230.86，224.26 pm/℃。因干涉波谷對應變和溫度具有不同的敏感特性，利用雙參量系數矩陣可以解決溫度影響的交叉敏感問題。

4 結 論

本文提出一種基于高靈敏度微納光纖耦合器應變傳感器。采用微納光纖拉制平臺，通過在線監測及光譜分析手段，對微光纖耦合器不同拉制階段的傳輸損耗特性、波長選擇特性和模式耦合特性等進行了實驗研究。制作出具有良好光學特性、以耦合器為連接端口的“微納光纖”，并開展了應變傳感的理論與實驗研究。結果表明，當微納光纖耦合器的直徑為13.343～18.961 μm時，傳感器的應變靈敏度會隨著耦合直徑的減小而增大。通過熔融拉錐法制備了直徑為13.343 μm 的光纖耦合器，得到了20.35 pm/με 的高靈敏度傳感器，并解決了溫度對應變引起的交叉敏感問題。該傳感器穩定性好、結構緊湊且成本較低，在高靈敏度大型建筑結構監測等方面具有廣闊的應用前景。