基于多模結構的光子晶體光纖應變傳感器

高 朋, 劉 瑩, 鄭曉琳, 王子木

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034)

0 引 言

光纖傳感器除了具有體積小、抗電磁干擾的獨特優勢以外,還有成本低、靈敏度高等優點,可以被廣泛研究并應用于一些物理參量的測量,包括扭轉[1]、應變[2]、溫度[3]和磁場[4]等。光纖傳感器在智能工程結構健康監測中也得到了廣泛的應用。工程結構的曲率、彎曲和應變是與結構受力和健康狀況密切相關的重要參數。PCF是一種具有石英-空氣復合結構的新型光纖,其具有普通光纖所不具有的獨特特性,包括極高的非線性、色散可控和雙折射特性。許多基于PCF的傳感器被提出的用于應變測量的儀器,如馬赫-曾德爾干涉儀[5-6]、長周期光纖光柵[7]、Fabry-Pérot干涉儀[8]等。

近些年來,基于PCF的新型光纖傳感器以及一些新型的傳感結構受到了廣泛關注。2007年,Dong等[9]報道了一種基于PM-PCF干涉儀的溫度不敏感應變傳感器。該裝置測量范圍為32 mε,但靈敏度僅為0.23 pm·με-1。2012年,Liu等[10]提出一種通過飛秒激光打孔和光纖拼接的雙核光子晶體光纖MZI干涉儀。該裝置的應變傳感靈敏度為2.18 pm·με-1。2018年,Li等[11]提出了一種SMF-空心光纖(HCF)-PCF-SMF結構的傳感器。在PCF中填充液晶,應變靈敏度可達1.25 pm·με-1。2019年,Dong等[12]報道了一種基于TCF-PCF-TCF結構的Mach-Zehnder模式干涉儀的高靈敏應變傳感器。該裝置的靈敏度為1.89 pm·με-1。2021年,Xu等[13]提出了一種具有SMF-MMF-PCF-MMF-SMF結構的干涉傳感器。該裝置的應變靈敏度可達2.4 pm·με-1。

本文提出一種基于多模對稱結構的光子晶體光纖應變傳感器。從傳感結構方面著手,以尋找操作簡單、成本低、可重復性高并且具有高靈敏度的應變傳感器。該結構不需要激光器熔接,大大降低了成本,并且該結構具有高重復性和高靈敏度的特點。這使得它在許多應變測量應用中具有吸引力。

1 傳感結構與原理

本文提出的傳感器結構如圖1所示,該器件采用MMF作為分束器和合束器與2段的SMF和1段的PCF組合而成。實驗中所采用的MMF的纖芯直徑為50 μm,包層直徑為125 μm。PCF的橫截面SEM圖如圖2(a)所示。PCF的包層直徑為125.2 μm,其由5層空氣孔組成,而PCF的纖芯直徑為8.89 μm。將MMF的一端與SMF相接,另一端與PCF熔接在一起,熔接后的結構如圖2(b)所示。

圖1 傳感器結構圖

圖2 (a)PCF截面的SEM圖像;(b)融合區域的MMF結構圖像

在實驗中,采用MMF作為分束器時,SMF纖芯中的光在傳輸到MMF處時進入到MMF的纖芯。因為PCF的纖芯直徑相比MMF來說很小,僅為8.89 μm。而MMF的纖芯直徑為50 μm,因此,當光傳輸到分束器時,一部分光仍然在光纖芯中傳播,另一部分則會進入到光子晶體光纖的包層中;當采用MMF作為合束器時,纖芯傳輸的光與在包層中傳輸的光在MMF中進行耦合。由于纖芯模和包層模的傳輸路徑不同,所以在芯模和包層模之間傳輸的光會產生相位差,進而在耦合進入SMF時形成干涉。

理論上,本文所提出的MZI的纖芯模和包層模之間的干涉可以被認為是纖芯模強度I1、包層模強度I2和PCF物理長度L的函數,即

(1)

m階干涉谷記為

(2)

因此,干涉譜的自由頻譜范圍(FSR)為

(3)

當沿光纖軸施加應變時諧振波長的漂移可表示為

(4)

可以看出,應變敏感性與擴展PCF長度L引起的Δneff變化密切相關,即?(Δneff)/?L。同時當施加應變ε時,接合處會產生輕微的物理變形。因此,隨著應變的增加,輸出光強也會發生輕微的變化。

2 實驗系統

圖3(a)為應變測量的實驗裝置。該器件中分束器的一端與寬帶光源(ASE)相連接。ASE的輸出功率為13.4 dBm,輸出波長范圍在1 525～1 568 nm。由合束器的一端與光譜分析儀(OSA)相連接。測量應變是在2個微移平臺上完成的,如圖3(b)所示。先將SMF-PCF-SMF結構固定在微移平臺上,并使其自然伸直,將該狀態記錄為0 με。該微移平臺其中一個是移動的,而另一個則是固定的。可移動的部分可以通過調節旋鈕實現X-Y-Z這3個方向的運動。最小位移分辨率為0.01 mm。實驗過程中軸向應變可以在0～800 με范圍內變化。

圖3 (a)實驗系統示意圖,(b)應變測量微移平臺實物圖

3 實驗結果與分析

圖1所示的傳感結構為以MMF對稱結構作為分束器及合束器的PCF傳感器。該傳感結構隨著應變增加透射光譜的變化如圖4(a)所示。根據應變的計算公式ε=ΔL/L可以得出,軸向長度變化量為0.01～0.10 mm時, 軸向應變的變化范圍為0～800 με。當應變從0增大到800 με時,波峰處波長為1 543.4 nm處干涉的透射光強隨著應變的變化基本不變。隨著應變的增加,光譜發生藍移。該器件的波長變化與軸向應變的變化如圖4(b)所示,在0～800 με時,線性度為0.979 0,光子晶體光纖傳感器的應變靈敏度為-2.87 pm·με-1。可以得出結論,上述MZI結構可以采用相位解調的方式,得到波長的變化隨著應變變化的情況。在0～800 με時,該MZI結構可以達到-2.87 pm·με-1的靈敏度。

圖4 (a)軸向長度變化量為0～0.10 mm時MZI的透射譜,(b)波長隨應變的不同而變化

4 結 論

綜上所述,本文設計了一種基于Mach-Zehnder原理的光子晶體光纖應變傳感器,并通過實驗對其進行了驗證。該傳感器采用SMF-MMF-PCF-MMF-SMF結構,通過在SMF與PCF之間拼接MMF的一段來制作。實驗結果表明,當傳感結構為MMF與PCF熔接而成的對稱結構時,在0～800 μm范圍內,該軸向應變傳感器的應變靈敏度可達-2.87 m·με-1。該光纖傳感器除了具有體積小、抗電磁干擾獨特優勢以外,還具有成本低、靈敏度高等優點。此外,該裝置在應變測量領域具有很高的應用潛力。