李懷寶， 李 紅， 宋言明， 祝連慶,， 婁小平

(1.北京信息科技大學 光電信息與儀器北京市工程研究中心，北京 100016； 2.北京信息科技大學 光纖傳感與系統北京實驗室，北京 100192)

0 引 言

近年來，光纖傳感器在檢測溫度、壓力、曲率、折射率等物理量以及生化測量領域受到越來越多的研究人員的關注[1]。馬赫—曾德爾(Mach-Zehnder,MZ)干涉型光纖傳感器具有結構簡單輕便、易于制作、靈敏度高、傳感波長范圍大的特點，長期以來是國內外研究人員關注的重點方向[4，5]。相比于空間光路、波導耦合或光纖耦合器級聯的MZ干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)，集成一體化的全光纖干涉器件更加便捷，并且易于制造。

近年來，光纖模式干涉所形成的MZI成為研究熱點，這種MZI中形成干涉的兩路光對應著光纖內兩個不同的傳輸模式。對于普通的單模光纖來說，一般只有基模一種傳輸模式，研究人員通過錯位熔接[6]、拉錐[7]、非單模光纖熔接[8，9]、燒制花生結構[10]等方法將基模能量耦合到包層模式中，實現MZ干涉，并利用其特點實現某些物理量的測量。

隨著光纖結構設計和制作工藝的發展，七芯光纖不僅應用于光纖通信，因其具有干涉條件好，靈敏度高的特點，被國內外學者用于傳感領域。其中， Salceda-Delgado G[11]提出基于七芯的干涉結構用于曲率傳感/監測，以七芯光纖為基礎搭建了“單?！咝尽獑文！毙蚆Z干涉傳感結構，雖然結構靈敏度強，但波長漂移和曲率變化的線性關系在曲率較小時,表現得并不明顯。May-Arrioja D A等人[12]提出了一種基于七芯光纖的腐蝕多芯MZ結構測曲率傳感器，且結構簡單，但腐蝕過程影響因素復雜，需要精確控制。周松等人[13]提出“單?！嗄！咝尽嗄！獑文！睖囟葌鞲薪Y構，可精確測量800℃的測試溫度，靈敏度和測量范圍相較于傳統的傳感器有了很大提高，但需要合理控制多模光纖的熔接參數，對加工過程要求較高。

本文提出一種七芯光纖與光纖熔球對稱結構相結合的MZI干涉傳感結構，并利用其光譜特性實現溫度、曲率等參量的監測，具有結構簡單、制作方便、靈敏度高等優點。

1 傳感器結構與原理

基于七芯光纖(seven cores fiber,SCF)和光纖熔球對稱結構的全光纖MZI傳感器結構如圖1所示。先將單模光纖(single mode fiber,SMF)利用CO2激光熔接工作站(Fujikura,LZM100)在一端熔接成球形結構，再將一定長度的七芯光纖分別與帶有球形結構的兩個單模光纖熔接成對稱結構，形成“SMF-ball-SCF-ball-SMF”的光纖波導，如圖1(a)所示。

分別對單模光纖和七芯光纖的截面模場進行仿真分析得到2種光纖的模式分布如圖1(b)所示。七芯光纖的纖芯由一根中心纖芯和呈正六邊形距中心纖芯35 μm的6根外圍纖芯組組成，從仿真結果可以看出，光在光纖波導傳播的主要能量集中在纖芯中。其工作原理為：寬譜光進入單模光纖，以光纖基模形式傳輸，經過第一個光纖球時，激發效率提高，在突變處，一部分纖芯模式被激發到包層中形成包層模式，沿包層繼續傳輸，另一部分沿著七芯光纖的纖芯繼續傳播，到達第二個光纖球結構時，耦合效率顯著提高，將包層模式再次耦合進纖芯，與纖芯模式發生干涉，形成MZ干涉。該結構的干涉效應透射光譜波谷波長λm為[8]

式中 Δneff為纖芯模式和m階包層模式的有效折射率差，L為干涉儀的長度，N表示透射譜處于波谷時相位差的系數。

圖1 傳感結構及光傳播示意

為了驗證本文所提出的熔球結構對光在光纖中傳輸時激發和耦合效率的影響，利用有限差分光束傳播法(finite difference beam propagation method,FD-BPM)對文獻[11]提出的“SMF-SCF-SMF”的干涉結構和本文提出的“SMF-ball-SCF-ball-SMF”結構進行仿真計算對比，研究燒球結構與七芯光纖形成的內部光傳輸過程，分析燒球結構對光場分布和光干涉效率的影響。傳感器結構仿真計算參數見表1。

表1 傳感器結構參數表

設置自由空間波長為1 550 nm，單模光纖纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm，光纖球結構的直徑為180 μm；多芯光纖纖芯直徑分別為6 μm，外圍6個纖芯于中心之間的距離為35 nm，纖芯成正六邊形圍繞在中心纖芯，包層直徑125 μm，長度9 mm；單模和多芯光纖的纖芯折射率為1.450 2，包層折射率為1.445。設置求解域為X(-62.5,62.5)，Y(-62.5,62.5)，Z(0,25 000)，分別對有燒球對稱結構和直接熔接七芯無光纖球結構進行光纖模場能量計算，模場能量分布結果如圖2所示。

圖2 光纖內部干涉光場分布

對比兩個不同結構的模場能量仿真圖可知，寬譜光在到達第一個熔球結構時，熔球的光纖激發到包層的模場能量相較于直接熔接的要高很多，這說明光經過熔球結構時增大了激發效率。光穿過熔球后大部分繼續沿著纖芯傳播，被激發到包層的模式在包層中傳播。到達第二個熔球結構處可以看出，直接熔接無燒球結構中有光耦合到纖芯發生干涉，但耦合效率較低對纖芯光的模場能量影響不大；熔球熔接的結構在熔球處耦合進入纖芯，纖芯的模場能量明顯降低，從而說明第二個熔球結構將耦合效率明顯提升。

為了進一步分析傳輸光經過本文所設計的光纖MZ干涉結構參與的模式類型，利用寬譜光源和光譜儀采集該干涉結構的透射譜如圖3所示。

圖3 初始干涉譜.

從透射譜可以看出：寬譜光經過傳感器結構時，產生的MZ效應出現波峰—波谷干涉譜，在1 550 nm波長處干涉效應最明顯，干涉深度達到約25 dB，對初始干涉譜進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)，如圖4所示。從傅里葉變換計算結果可以看出，靠近零點處峰值強度最大，該處主導模式為纖芯模式，且纖芯模式波峰強度最大。隨著頻率的增大，峰值呈下降趨勢，說明高階包層模不易被激發。除了零點峰值以外，其他峰表示參與干涉的各階包層模。

圖4 干涉結構透射譜FFT空間頻譜

2 傳感器特性實驗

2.1 溫度響應

將傳感器結構固定在加熱板上，連接寬譜光源和光譜儀構成溫度監測實驗系統，如圖5所示。

圖5 溫度檢測實驗系統

實驗中，溫度從室溫(20 ℃)加熱到95 ℃，其中每間隔5 ℃記錄一次波長變化，共記錄14組數據，續觀測的透射譜如圖6所示。從理論分析式(2)中可看出:波谷漂移量與溫度變化量成正比，干涉波谷的波長隨著溫度的升高向長波長方向漂移。溫度—波長公式如下[14]

式中m為衰減峰值階數，L為七芯光纖長度，K為溫度和波長變化的關系的系數。

圖6 不同溫度下的透射譜

從圖6可以看出：隨著溫度的升高，MZI傳感結構的干涉譜波谷向波長增加的方向增加，具有明顯的正相關性，且溫度對干涉譜波谷的強度影響不大，為了得到本文所提出的傳感結構的具體性能，對獲得的光譜數據進一步尋峰處理。

波谷處對應的波長數據進行擬合—尋峰處理后，將波谷波長及其對應的溫度進行線性擬合，獲得的溫度—波長漂移關系曲線如圖7所示。

圖7 溫度與中心波長變化關系

由圖7可以看出：隨著溫度升高，20～95 ℃溫度測量范圍內，波谷的波長線性增加，線性度為0.996 22，從擬合的直線可得溫度的靈敏度系數為58.97 pm/℃。

2.2 曲率響應

將傳感器結構放在微分旋鈕結構中，連接寬帶光源和光譜儀構成曲率監測實驗系統，如圖8所示。

寬譜光經單模光纖到達旋鈕裝置，其中，MZI位于兩固定支架中心位置，傳感結構兩端固定在兩個一維位移平臺上，通過微分位移旋鈕改變曲率結構的間距，從而實現曲率變化。曲率的計算公式[15,16]為

圖8 曲率檢測實驗系統

式中R為光纖彎曲的曲率半徑，光纖處于拉直狀態時，微位移平臺的螺旋微分頭的刻度尺位置為初始位置，此時光纖夾具間距離為L0，實驗中L0=423.0 mm；x為微位移平臺相對于初始位置向前移動的距離，即光的應變，導致Δneff發生變化，最終導致波長漂移，產生的應變可表示為

式中d為光纖的直徑，R為曲率半徑，彎曲后的折射率差Δneff為

不同曲率條件下的光譜圖如圖9所示。

圖9 不同曲率下透射譜

在光譜圖中，譜線對應的曲率從左到右依次降低，直到曲率降低到0停止。從透射譜光譜圖可以看出：在曲率為0時，輸出的光譜明顯并不符合光譜漂移的理論推導，這是因為曲率為0時光纖處于被拉伸狀態，測試結構中存在預緊力導致其光譜發生漂移，從而形成較大的波長偏移與實際曲率特性不符合。在對曲率特性數據進行線性擬合時，應當剔除該點。對光譜圖數據尋峰處理后，獲得波谷的波長值，然后對該波長和對應的曲率進行擬合，獲得的波長漂移量與曲率的關系如圖10所示。

圖10 曲率與中心波長變化關系

由圖10可以看出：0～1 m-1曲率測量范圍內，隨著曲率增加，波谷的波長線性減少，線性擬合度為0.99673，對測量結構進行計算，得到曲率的靈敏度系數為2.55 nm/m-1。

3 結 論

本文提出了一種通過將一根七芯光纖與兩根普通單模光纖通過熔球的方式形成MZI型全光纖傳感器，光纖球結構可以將單模光纖的纖芯模式激發到包層，并在七芯光纖中傳輸到達第二個熔球結構時，纖芯模式被再次耦合到第二根單模光纖中與纖芯模式發生干涉形成MZI。通過傳感器結構的光束傳播模式仿真和實驗結果可知，使得MZI干涉光程發生改變的外界環境會引起輸出光強度變化和光譜漂移，干涉波谷的漂移與溫度和曲率的變化成線性關系，從而實現對溫度和波曲率的傳感監測。傳感器對溫度和曲率的靈敏度分別為58.97 pm/℃和2.55 nm/m-1，相較于其他同類MZI結構的全光纖傳感器，該結構的制作工藝簡單，重復性好，可靠性高。