基于光纖錐級聯(lián)的Mach-Zehnder干涉濕度傳感器*

程君妮

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

0 引 言

與電子濕度傳感器相比，光纖濕度傳感器具有靈敏度高、無電火花等優(yōu)點，是一種可以在核反應堆、化工廠、煉油廠等特殊環(huán)境使用的新型傳感器[1,2]。目前已經(jīng)提出多種不同類型的光纖濕度傳感器，如法布里珀羅干涉測量法[3～5]，布拉格光柵測量法[6,7]，馬赫曾德爾干涉儀測量法[8,9]，長周期光柵測量法等。Tan Y Z等人[10]提出一種基于雙包層微納光纖濕度傳感器。當濕度從90 %RH下降到34 %RH時，其靈敏度為97.76 pm/%RH。Noor M Y等人[11]提出基于光子晶體光纖濕度傳感器。當相對濕度在60 %～80 %RH和80 %～95 %RH范圍內(nèi)變化，傳感器靈敏度為20.3 pm/%RH和61.6 pm/%RH。Shao M等人[12]提出了一種基于單模多模—多模光纖—單模光纖結構的傳感器。濕度在35 %～90 %RH濕度范圍內(nèi)傳感器靈敏度為0.119 dB/%RH。上述提出的傳感器靈敏度較高，但實驗條件難以控制，同時測量范圍受到限制。近年來在光纖表面涂覆各種濕敏材料以提高其靈敏度已成為熱點[13]。Lin Y等人[14]提出在光柵表面涂覆聚酰亞胺以測量相對濕度。當濕度在11.3 %～97.3 %RH范圍內(nèi)變化，靈敏度為13.5 pm/%RH。Chen L H等人[15]提出在法布里珀羅腔干涉端面涂覆聚殼糖以測量相對濕度的傳感器，當濕度在20 %～95 %RH范圍內(nèi)變化，傳感器靈敏度為0.13 nm/%RH。

Liu N等人[16]提出一種基于單模光纖—空心光纖—單模光纖結構的濕度傳感器。當濕度在23.8 %～83.42 %RH范圍內(nèi)變化，濕度靈敏度為1.29 pm/%RH。上述提出的傳感器在涂覆濕敏材料后，其靈敏度得到提高，但是傳感器靈敏度往往受到涂覆層厚度的影響[17]，未研究涂層厚度對傳感器靈敏度產(chǎn)生的影響。

本文提出一種基于單模光纖—色散補償光纖—光纖錐—色散補償光纖—光纖錐—色散補償光纖—多模漸變光纖—單模光纖結構的Mach-Zehnder干涉濕度傳感器。通過觀察傳感器光譜響應來監(jiān)測環(huán)境濕度大小。研究了干涉譜波峰能量與濕度之間的關系，并實驗探究了溫度對傳感器光譜產(chǎn)生的影響。實驗結果表明該傳感器制作簡便、靈敏度高，可應用于濕度測量。

1 傳感器制作和原理

圖1為傳感器結構示意。該傳感器是由商業(yè)熔接機(古河，S177B)制造。使用剝線鉗去除色散補償光纖(dispersion compensation fiber,DCF)涂覆層，用蘸有酒精的棉花反復擦洗，使用光纖切刀(古河，S325)將DCF切成3段。將準備好的其中一段DCF和SMF熔接，再將余下DCF和已經(jīng)熔接的DCF端口對芯熔接光纖錐，并依次級聯(lián)。再接入一段GI MMF，形成了SMF-DCF-光纖錐-DCF-光纖錐-DCF-GI MMF-SMF結構的MZI。實驗發(fā)現(xiàn)，不同熔接參數(shù)會制造出不同直徑的光纖錐，從而影響傳感器透射譜消光比和周期性。經(jīng)過多次調(diào)試和嘗試，得到熔接光纖錐最優(yōu)參數(shù):首次放電強度+120，首次放電結束強度+100，預熔時間300 ms，首次放電時間1 100 ms，推進距離160 μm。

圖1 MZI傳感器結構示意

圖2為使用該熔接參數(shù)制作的光纖錐實物照片。光纖錐長度約為324～346 μm，直徑在134～137 μm范圍內(nèi)變化。相比較標準DC光纖(直徑120 μm)，被制造的光纖錐直徑更大。圖3為GI MMF接入和未接入傳感器時的透射譜,可以看到，將GI MMF接入傳感器，透射譜周期明顯增加，且條紋對比度更加明顯。這是因為GI MMF比SMF 有更大的數(shù)值孔徑，所以可以耦合進更多的DCF傳導模，增加透射譜條紋對比度。因此，GI MMF起到了光纖耦合器的作用。光從寬帶光源發(fā)出，在DCF和SMF節(jié)點處，由于纖芯失配，一部分光進入DCF纖芯，一部分光進入DCF包層，激發(fā)包層中的高階模產(chǎn)生。在第一個光纖錐處，一部分光耦合進入下一段DCF纖芯，一部分光耦合進入DCF包層，激發(fā)包層中的高階模產(chǎn)生。在第二個光纖錐處，包層中的高階模被耦合到下一段DCF，再次激發(fā)DCF包層模產(chǎn)生。在DCF中的傳導模經(jīng)過GI MMF時，由于纖芯失配，一部分光耦合進入GI MMF纖芯，一部分光耦合進入GI MMF包層。在下一個GI MMF和SMF節(jié)點處，包層模和纖芯基模被耦合進SMF，發(fā)生干涉。

圖2 光纖錐實物照片

圖3 透射譜

傳感器透射譜能量表示為[20]

(1)

當光通過傳感器時，由于光纖纖芯和包層折射率不同，使得經(jīng)過纖芯和包層傳輸?shù)膬墒猱a(chǎn)生相位差。當干涉譜能量達到最大值時，相位差Δθ表示為

(2)

式中k為整數(shù)。

當傳感器外界溫度恒定，濕度發(fā)生變化時，對式(1)求導，即得到濕度靈敏度計算公式[20]

(3)

使用DCF纖芯和包層直徑分別為4.65 μm和120 μm，GI MMF纖芯和包層直徑分別為50 μm和125 μm，DCF長15 mm，GI MMF長6 mm。圖4(a)為溫度25 ℃、濕度24 %RH條件下，MZI傳感器在空氣中的透射譜,可以看到，波長在1 526.85～1 587.23 nm范圍內(nèi)干涉譜有明顯的條紋，條紋周期性較好，且干涉譜消光比達到10 dB，滿足測量要求。

對透射譜進行快速傅里葉變換，得到相應的傅里葉空間頻譜，如圖4(b),可以看到，空間頻譜展示了數(shù)個峰，說明有多個模式參與了干涉，但存在一個明顯的主峰，對應的值為0.086 3 nm-1。同時空間頻譜中存在較低的峰，且較低峰對應的頻率大于主峰對應的頻率，說明產(chǎn)生干涉的過程中，傳感器的干涉模式十分穩(wěn)定。由于高階包層模對應較高的空間頻率，所以，對模間干涉起主要作用的是低階包層模。因此，可以認為該傳感器的干涉圖樣主要由一個激發(fā)的低階包層模和基模形成。

圖4 MZI傳感器空氣中透射譜和空間頻譜

2 實驗與結果分析

傳感器濕度測量裝置是由寬帶光源(BBS,Lightcomm,ASE-CL)、恒溫恒濕控制器(RH Chamber,We-won,WHTH—225L)和光譜分析儀(OSA,Anritsu,MS9740A) 組成，其中光譜分析儀分辨率為50 pm。傳感器被放置在濕度箱內(nèi)，兩個尾端通過單模光纖連接到BBS和OSA。通過使用恒溫恒濕控制器，可以實現(xiàn)對濕度精確控制。該控制系統(tǒng)濕度和溫度測量范圍為20 %～98 %RH和-20～150 ℃，測量誤差1 %RH和±1 ℃。

圖5(a)為不同濕度條件下傳感器的透射譜。實驗中選取中心波長為1 568.58 nm處的波峰作為監(jiān)測對象。溫度被控制在35 ℃。濕度從35 %～95 %RH每10 %RH改變1次。從圖5中可以看到，隨著濕度不斷增加，透射光譜能量在明顯減少，最大變化了4.35 dB；監(jiān)測點波長向長波方向發(fā)生漂移，漂移了0.19 nm，這與理論分析一致。干涉譜波峰能量的變化大于波長的變化，且靈敏度更高，便于測量。為了分析濕度對傳感器透射光譜在傅立葉時域產(chǎn)生的影響，對圖5(a)透射譜進行傅立葉快速變換(fast fourier transform,FFT)，如圖5(b)所示。可以發(fā)現(xiàn)，不同濕度對應的空間頻譜都有一個明顯的主峰。圖5(b)中的插圖是主峰放大圖。從插圖中可以看到主峰對應的值均為0.087 9 nm-1，說明隨著環(huán)境濕度不斷增加，該透射譜的主要干涉模式并未發(fā)生改變。進一步對比圖4(b)和圖5(b)主峰，可以發(fā)現(xiàn)在大濕度環(huán)境中透射譜傅里葉變換譜的峰值小于空氣中的透射譜傅里葉變換譜的峰值，這是因為隨著外界環(huán)境濕度不斷增大，根據(jù)消逝波原理，更多的包層模能量耦合到外界，導致透射譜總能量減少。

圖5 不同濕度下傳感器透射譜與空間頻譜

在恒定濕度條件下，當外界溫度不斷升高，空氣中水分子含量會減少。因此，在濕度測量過程中，溫度也應該被考慮。為了得到傳感器溫度響應，保持濕度不變，然后溫度逐漸升高。溫度從35～75 ℃每10 ℃改變1次。圖6為該傳感器在不同溫度下的透射光譜。實驗中仍選取1 568.58 nm處波峰作為監(jiān)測對象。可以看到,隨著溫度不斷上升，透射譜發(fā)生紅移，漂移了1.78 nm。這是由于溫度升高，光纖自身熱光效應和熱膨脹效應使傳感器有效折射率差和干涉臂長度增加，導致整個透射譜發(fā)生紅移。監(jiān)測點波峰能量基本不動。

圖6 不同溫度條件下傳感器透射譜

對傳感器透射譜監(jiān)測點能量與濕度變化關系進行擬合，可以看到傳感器透射譜能量和濕度有較好的線性關系。當濕度在35 %～95 %RH范圍內(nèi)變化，其響應靈敏度為-0.074 9 dB/%RH，線性度R2為0.995。由不同溫度下傳感器的光譜響應，可以看到隨著溫度不斷升高，其透射譜能量基本保持不動。

3 結 論

本文提出了一種基于光纖錐級聯(lián)纖芯失配的Mach-Zehnder干涉濕度傳感器。對該傳感器傳光理論進行了分析，研究了外界濕度變化引起傳感器透射光譜響應特性。實驗結果表明:透射光譜能量隨著濕度的增大而減少，當濕度在35 %～95 %RH范圍內(nèi)變化，其響應靈敏度為-0.074 9 dB/%RH，線性度R2為0.995。在溫度不斷升高的情況下，傳感器透射譜能量幾乎沒有變化。該傳感器具有制造簡單、靈敏度高等優(yōu)點，可以被廣泛應用于不同領域的濕度測量。