基于細芯光纖與雙球結(jié)構(gòu)的干涉型光纖傳感器*

李德強,曹 曄*,宮順順,辛鵬程,孫朝陽,楊長龍,李麗君

(1.青島大學(xué)電子信息學(xué)院,山東 青島 266071;2.山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院,山東 青島 266590)

21世紀初中國步入信息化時代,快速發(fā)展的信息化時代對信息的采集的準確性和高精度有了進一步的要求,研究新型的光纖傳感器,來滿足信息化時代的需求是信息通信領(lǐng)域的一大變革。近幾年,越來越多的科研工作者研究干涉型光纖傳感器,并把研究成果應(yīng)用于航天、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、通信等諸多領(lǐng)域[1-6],取得了良好的經(jīng)濟效益和突出的成績。干涉型光纖傳感器可以由球形[7-8]、花生錐形[9]、拉錐[10]和錯芯[11]等結(jié)構(gòu)構(gòu)成,目前可以實現(xiàn)對溫度、折射率、應(yīng)變、磁場等物理量的測量。例如2014年,傅海威等設(shè)計了一種基于單模-多模-細芯-單模光纖的馬赫-曾德爾(MZ)干涉結(jié)構(gòu),測得干涉谷的折射率和溫度的靈敏度分別是為-53.03 nm/RIU和0.046 5 nm/℃[12]。2015年,WuJixuan等提出了一種基于細芯光纖(TCF)的光纖傳感器,并進行了位移和溫度的雙參量同時測量,位移的靈敏度達到了-0.010 28 nm/μm 和-0.015 35 nm/μm,溫度的靈敏度達到了0.009 42 nm/℃ 和0.004 93 nm/℃[13]。2016年,梁明玉等提出一種基于馬赫-曾德爾干涉的球形結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器,測得中間單模光纖為1.8 cm時的溫度靈敏度為0.129 7 nm/℃[14]。2016年,周孟暉等制作了基于細芯光纖的MZ干涉?zhèn)鞲衅?實現(xiàn)了對溫度、折射率、應(yīng)變、彎曲的測量,靈敏度分別為72.0 nm/℃、-8.12 nm/RIU、1.8 pm/μm、2.07 nm/m-1[15]。

本文設(shè)計制作了一種基于細芯光纖和雙球結(jié)構(gòu)的干涉型光纖傳感器,利用纖芯模式與包層模式的干涉,實現(xiàn)了對溫度、折射率和拉力的測量,該傳感器有較好的靈敏度和線性度。

1 傳感原理

本文制作了一種球形-細芯-球形干涉型光纖傳感器。在兩根單模光纖上分別做出球形結(jié)構(gòu),與細芯光纖熔接,制作成的傳感結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

入射光通過單模光纖進入左端的球形結(jié)構(gòu),由于球形結(jié)構(gòu)的耦合作用,一部分光進入細芯光纖的纖芯,另外一部分耦合進入包層,分別激發(fā)出細芯光纖的纖芯模式與包層模式,這兩種模式傳輸?shù)接叶说那蛐谓Y(jié)構(gòu)時發(fā)生耦合,包層模式會耦合回單模光纖的纖芯。由于傳輸路徑不同,纖芯模式和包層模式之間存在相位差,從而形成干涉。該干涉是基于馬赫曾爾德(M-Z)干涉理論,因此該傳感器是基于M-Z干涉的光纖傳感器。纖芯模式與包層模式的相位差表達式為[16]:

(1)

式中:L為干涉長度,λ為真空中的波長,Δneff=nco-ncl是纖芯與包層有效折射率的差,nco是纖芯有效折射率,ncl是包層有效折射率,nex是外界折射率。

干涉時光的光強表達式[17]為:

(2)

式中:I1與I2分別為細芯光纖的纖芯模和包層模的光強。

當φ=(2m+1)π(m為正整數(shù))時,干涉光強達最小值,出現(xiàn)干涉谷。由表達式(1)得波谷的波長為:

(3)

當溫度變化時,纖芯與包層有效折射率之差與干涉長度L會發(fā)生變化,從而引起干涉谷漂移。當外界環(huán)境折射率變化時,會引起包層模式的有效折射率變化,從而引起干涉谷漂移。當光纖受到拉力時,光纖的長度和有效折射率都會發(fā)生變化,從而使得干涉谷漂移。所以,從理論上分析,該傳感器可以實現(xiàn)對溫度、折射率和拉力這3個物理量的傳感。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 傳感結(jié)構(gòu)的制作

調(diào)節(jié)熔接機放電強度為200 bit,放電時間為 1 300 ms,在兩根單模光纖上分別制作球形結(jié)構(gòu),如圖2所示。調(diào)節(jié)放電強度為100 bit,放電時間為1 300 ms,將兩個球與2 cm小芯徑熔接在一起,制作出傳感器。實驗中用的熔接機是古河FITEL-S177。細芯光纖用的是長飛公司生產(chǎn)的,其包層直徑為125 μm,在1 550 nm的中心波處的模場直徑約4.5 μm,纖芯和包層的有效折射率分別是1.445 7是1.437 8。單模光纖包層直徑為125 nm,纖芯直徑為9 nm。實驗中用的光譜儀(OSA)為橫河的YOKOGAWA-AQ6370,精度為0.01 nm。

圖2 顯微鏡下雙球結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 溫度特性實驗

將雙球結(jié)構(gòu)水平拉直固定在恒溫水浴箱TCC(Temperature Controlled Container)內(nèi),如圖 3所示,圖3中BBS為寬帶光源,OSA為光譜儀。保證不受水壓、彎曲、拉力等外界因素的影響,從35 ℃至90 ℃不斷增加恒溫水浴箱的溫度,每5 ℃取樣一次,記錄光譜儀上干涉谷的波長。

圖3 溫度特性實驗裝置圖

實驗結(jié)果如圖4、圖5所示,隨著水溫的升高,光譜儀中顯示波形右移,與理論分析相符。圖4中Dip1在35 ℃時的波長為1 541.433 3 nm,90 ℃時的波長為1 547.100 0 nm。通過數(shù)據(jù)擬合,此干涉型傳感器的溫度靈敏度為0.066 5 nm/℃,線性度為0.982,如圖 5所示。隨著溫度的升高,熱光效應(yīng)使有效折射率差增大,熱膨脹效應(yīng)使干涉長度L增大,由式(3)可知,波谷將向長波方向漂移。圖4中透射譜隨著溫度升高向長波方向移動,與理論分析相符。

圖4 干涉谷隨溫度漂移的透射譜

圖5 溫度靈敏度響應(yīng)曲線

本實驗采用水浴加熱,如果采用其他加熱方式,將進一步提高測量范圍。

2.3 折射率特性實驗

用精準電子秤和量筒配置濃度分別是0.1、1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25的鹽溶液,溶液濃度與折射率的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 溶液濃度與折射率的對應(yīng)關(guān)系

將傳感結(jié)構(gòu)水平拉直固定在折射率槽RIS(Refractive Index Slot)內(nèi),如圖 6所示,保證不受溫度、拉力、彎曲等外界因素的影響。在折射率槽中依次加入不同折射率(從1.333到1.379)的鹽溶液。更換溶液時,先將鹽溶液用針管吸出,用清水重復(fù)清洗晾干后,再注入新的鹽溶液。記錄下光譜儀上干涉谷的波長。

圖6 折射率特性實驗裝置圖

實驗中,隨著外界環(huán)境的折射率增大,包層模式的有效折射率變化,從而使干涉谷左移,如圖 7所示。圖7中Dip2在折射率為1.333和1.379的波長分別是1 551.633 3 nm和1 550 nm。通過數(shù)據(jù)擬合,該結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度大小為-33.652 nm/RIU,線性度為0.979 2,如圖8所示。隨著溶液折射率的增大,包層模式的有效折射率變化,從而使有效折射率差減小,由式(3)可知,波谷將向短波方向漂移。圖7中透射譜隨折射率增大向短波方向移動,與理論分析相符。

圖7 干涉峰隨折射率漂移的透射譜

圖8 折射率靈敏響應(yīng)曲線

2.4 應(yīng)變特性實驗

如圖9所示,將傳感頭拉直粘貼在懸臂梁上,在懸臂梁的自由端懸掛砝碼時,懸臂梁產(chǎn)生彎曲,帶動傳感頭形變。在懸臂梁的自由端增加砝碼,從100 g增大到1 000 g,每增加100 g記錄一次數(shù)據(jù)。

圖9 拉力特性實驗裝置圖

圖10 干涉峰隨拉力變化的透射譜

實驗中,隨著重物質(zhì)量的不斷增加,光纖發(fā)生形變,有效折射率變化,干涉谷左移,如圖10所示。

圖10 中Dip3在拉力為0.98 N和9.8 N時,波長分別為1 540.400 0 nm和1 536.833 3 nm。通過數(shù)據(jù)擬合,拉力的靈敏度大小為-0.360 8 nm/N,線性度為0.965 1,如圖11所示。隨著拉力的增加,懸臂梁帶動傳感器產(chǎn)生應(yīng)變,隨著拉力的增大,應(yīng)變也增大。彈光效應(yīng)使有效折射率差減小,是主要因素;應(yīng)變使干涉長度L增大,是次要因素。由式(3)可知,波谷將向短波方向漂移。圖10中透射譜隨拉力增大向短波方向移動,與理論分析相符。

如果改進懸臂梁實驗條件,會進一步增加測量范圍,該傳感結(jié)構(gòu)在安全監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

圖11 拉力靈敏度響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

本文實驗在兩根單模上制作球形結(jié)構(gòu),并在中間熔接細芯光纖形成MZ干涉結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)對溫度、折射率和拉力進行了測量,實驗結(jié)果表明,此結(jié)構(gòu)對溫度、折射率、拉力都靈敏,溫度靈敏度、折射率靈敏度、拉力靈敏度分別為0.066 5 nm/℃、-33.652 nm/RIU、-0.360 8 nm/N,且線性度良好。

參考文獻:

[1] Esmaeil Mobini,Arash Mafi. Design of a Wavelength-Tunable Optical Tweezer Using a Graded-Index Multimode Optical Fiber[J]. Journal of Lightwave Technology,2017,35(18):3854-3861.

[2] Wo Jianghai,Sun Qizhen,Liu Hai,et al. Sensitivity-Enhanced Fiber Optic Temperature Sensor with Strain Response Suppression[J]. Optical Fiber Technology,2013,19(4):289-292.

[3] Zhao Yong,Zhou Xue,Li Xuegang,et al. Review on the Graphene Based Optical Fiber Chemical and Biological Sensors[J]. Sensors and Actuators,B:Chemical,2016,231:324-340.

[4] Hu Haifeng,Sun Sijia,Lü Riqing,et al. Design and Experiment of an Optical Fiber Micro Bend Sensor for Respiration Monitoring[J]. Sensors and Actuators,A:Physical,2016,251:126-133.

[5] Xiao Hengli,CuiXinlin,LeiWenkai. A Bored Pile Deficiency Detection Method Based on Optical Fiber Temperature Measurement[J]. Optical Fiber Technology,2015,21:1-6.

[6] 邵靖,段力,王強,等. MEMS高溫溫度傳感器的研制與測量精度研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2017,30(9):1352-1358.

[7] 曹曄,趙晨,童崢嶸. 可雙參量同時測量的干涉型全光纖傳感器[J]. 光子學(xué)報,2015,44(10):1006102.

[8] Zhang Jun,Gong Huaping,Wang Zhiping,et al. M-Z Optical Fiber Liquid Level Sensor Based on Two Cascaded Spherical-Shape Structures[C]//ICOCN 2016,2016:7875662.

[9] Gong Huaping,YangXiao,Ni Kai,et al. An Optical Fiber Curvature Sensor Based on Two Peanut-Shape Structures Modal Interferometer[J]. IEEE Photonics Technol Lett,2014,26(1):22-24.

[10] Musa B,Roze A A,Noor A S M,et al. Effect of Fiber Profile Parameters on the Transmission Properties of the Tapered Optical Fibers[C]//Conf Proc—IEEE Int Conf Photonics,ICP,2011:6106862.

[11] 曹曄,劉文,趙舜,等. 基于光子晶體光纖和單模光纖錯芯結(jié)構(gòu)的光纖傳感器[J]. 光電子·激光,2015,26(07):1233-1237.

[12] 傅海威,閆旭,李輝棟,等. 基于纖芯失配型馬赫曾德爾光纖折射率和溫度同時測量傳感器的研究[J]. 光學(xué)學(xué)報,2014,34(11):66-71.

[13] Wang Jixuan,Miao Yinping,Song Binbin,et all.Simultaneous Measurement of Displacement and Temperature Based on Thin-Core Fiber Modal Interferometer[J]. Optics Communications,2015,340:136-140.

[14] 梁明玉,郎婷婷,金嘉俊,等. 基于馬赫-曾德爾干涉的球形結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器[J]. 光電子·激光,2016,27(12):1255-1259.

[15] 周孟暉,董新永,楊菁怡,等. 細芯光纖M-Z干涉?zhèn)鞲衅鞫鄥?shù)測量研究[J]. 光電子·激光,2016,27(06):587-592.

[16] Gu Ningning,Zhang Hao,Liu Bo,et al. Magnetic Field Sensor Based on Concatenation of Fiber Peanutand Long-Period Fiber Grating with Resolved Temperature Cross Sensitivity[C]//ICOCN,2016:7875663.

[17] 吳浩偉,應(yīng)朝福,彭保進,等. 基于薄芯光纖模態(tài)干涉技術(shù)的折射率傳感特性實驗研究[J]. 光子學(xué)報,2011,40(12):1881-1883.