硬塑料包層光纖構成的多功能光纖傳感器

梁詩琪，龍鑫悅

1.北京師范大學，廣東珠海，519087；2.北京科技大學，北京，100083

0 引言

光纖傳感器屬于新型傳感器，具有體積小、抗腐蝕等多種性能，可以進行分布式測量，易于多用復用。光纖傳感器在現代科學技術的快速發展下，功能越來越多，其構成原理為Mach-Zehnder干涉，這類傳感器可以對環境溫度與折射率進行同時測量，且能對折射率的交叉敏感問題予以解決。因此，對于硬塑料包層光纖構成的多功能光纖傳感器的研究具有重要的理論與實踐意義。本文就硬塑料包層光纖構成的多功能光纖傳感器展開分析，探討其具體原理與構造，并能指出優勢，為其有效應用提供支持。

1 傳感器的原理及構成

硬塑料包層光纖（HPCF）的纖芯直徑相比于普通單模（SMF）的纖芯直徑要大，一般為200μm，HPCF在連接過程中在與SMF耦合時更具容易，損耗在傳輸過程中較低。同時包層在HOCF外面，厚度僅僅為30μm，當在外界環境中暴露HPCF的包層時，外界溫度與折射率的變化將更為敏感。在本文研究中，所研究的光纖傳感器精度更高，且結構相對比較簡單。SMFHPCF-SMF纖芯構成的傳感器，其纖芯失配問題在SMF與HPCF耦合時產生，這樣就會讓MZI形成，所以在測量溫度與折射率時可以使用干涉儀構成的光纖傳感器同時進行。

1.1 原理

輸入SMF、HPCF等共同構成光纖傳感器，輸入SMF輸入到HPCF時，就會由于二者的直徑不匹配，從而在HPCF的不同方向中傳播光。在HPCF纖芯內，不同光模式傳播路徑不同，光程差的產生也會不同，干涉圖譜就會在輸出端形成。輸出諧波谷對應的特征波長可以按照光學基本原理進行計算[1]。

光纖中傳播光時，既有纖模也會有包層模存在。HPCF的纖芯相對較大，包層厚度較薄，包層模倏逝場在塑料包層中，包層外的介質中特別容易延伸出倏逝場，包層的有效折射率會受到環境折射率變化的影響，從而影響纖芯的有效折射率。對于輸出光譜的諧振峰值波長隨外界折射率的變化關系如下：

外界環境溫度變化但其他量不變時，在光纖彈光與熱光效應下，光纖纖芯與包層的有效折射率會隨和溫度的變化發生變化[2]。HPCF的包層薄，但是纖芯較厚，這時纖芯的有效折射率會受到外界環境溫度的影響，而包層的有效折射率會受到更大的影響。光譜諧振峰值波長在外界環境溫度的變化下所呈現出的關系為：

對上面公式進行整合，可以得到傳感器的測量系數矩陣：

按照光的干涉理論，干涉儀中諧振峰波谷的波長在滿足相應條件時，可以使用下面的公式進行計算：

光纖纖芯與包層之間的應變差可以使用下面的公式進行計算：

纖芯與包層的有效折射率差可以使用下面的公式進行計算：

式中：k為應變折射率系數。

干涉儀中諧振峰波谷的波長可以表示為：

同時，也要確定傳感器的光強傳感參數，具體為：

1.2 傳感器的制作與透射譜測量

光纖為國內某個公司生產的，選擇普通標準SMF，其中纖芯直徑、包層直徑分別為8.2μm、125μm；HPCF選擇HP2140-A，纖層直徑、包層分別為200μm、30μm。HPCF在電噪聲環境中適應性較強，其構成如圖1所示[3]。

圖1 HPCF結構圖

在制作光纖傳感器期間，要輸入SMD與一段較長的HPCF與輸出SMF正對熔接在一起，采用的熔接機為智能光纖熔接機[4]。在寬帶光源上介入輸入光纖，在光譜分析儀上介入輸出光纖，對輸出的光譜進行仔細觀察。當輸出光譜不夠理想時，將位于輸出端的HPCF切掉一部分，然后再將輸出SMF重新熔接上[5]。通過多次試驗操作，得到透射光譜較好的部分。圖2為得到的傳感器透射光譜，會有兩個諧振dip1與dip2出現，且二者的對應特征波長分別為1357nm、1562nm，峰值的強度分別為14.5dB、14.1dB。HPCF在傳感器中的長度為1.5m，傳感器長度并不長[6]。

圖2 不同折射率下傳感器的透射光譜

2 實驗結果

將制作好的傳感器輸入端與BBS在室溫下鏈接，并連接輸出端與OSA。采用SLD作為BBS的光源，波長的輸出范圍為650～1650nm。選擇日本橫河公司生產的額型號為AQ6370D光譜分析儀，波長的測量范圍、最小分辨率分別為600～1700nm、±0.1nm。在實驗時要求將傳感器光纖拉直，采用的設備為可移動夾具，為對其進行固定可以使用支架臺[7]。在水槽中浸入傳感器部分，將不同濃度的NaCl加入水槽中，對NaCl溶液的濃度進行改變，然后對傳感器周圍折射率值的改變進行模擬。水槽中NaCl進行逐漸改變，并讓濃度維持15min，然后對傳感器的透射光譜進行測量，將波谷波長與環境折射率之間的變化關系予以明確[8]。

通過實驗得到外界折射變化引起的波長波谷變化，其中dip1的線性擬合度R2、dip2的線性擬合度R2分別為0.996、0.991。波谷波長與外界環境折射之間的線性關系較好，波谷波長在外界折射率變化時也會變化，且變化較大，說明具有較高的靈敏度，波谷dip1、dip1的折射率測量靈敏度分別為39.18nm·（RIU）-1、52.56nm·（RIU）-1。

BBS、OSA等共同組成溫度試驗裝置，合肥科晶公司生產的型號為GSL-1600X的溫度爐，其能將溫度精度控制在±1℃。先在溫度爐內將傳感器部分放入，傳感器光纖需使用固定平臺與移動平臺拉緊與固定牢固，避免傳感器光纖水平出現彎曲，BBS與SMF相連，輸出光纖與OSA相連。爐內溫度可以使用控制器進行控制，溫度從15℃提升到120℃，然后再降下來。傳感器的透射譜數據需間隔10℃記錄一次。波谷在溫度提升過程中，會出現紅移現象，且比較明顯。波谷波長變化是由外界環境溫度變化引起的，dip1的線性擬合度R2為0.977、dip2的線性擬合度R2為0.970。dip1、dip2的溫度靈敏度分別為12.0pm·℃-1、13.3pm·℃-1。外界環境溫度與折射量在測量時，可以使用波長調制法，這樣就可以得到dip1的折射率靈敏度為39.18nm·（RIU）-1，dip2的折射率靈敏度為52.56nm·（RIU）-1。測量矩陣可以通過矩陣理論得到，具體如下：

測量的折射率與溫度值可以通過逆矩陣獲取。

3 結論

全光纖結構Mach-Zehder干涉儀光纖傳感器是由SMF-HPCF-SMF熔接構成，外界環境折射率與溫度會對傳感器透射譜的兩個諧波振峰值波長產生影響，折射率和溫度測量時可以利用波長調制法與矩陣理論同時進行測量。在實驗后得到的結果如下：dip1和dip2的溫度分別為12.0pm·℃-1、13.3pm·℃-1；dip1的折射率靈敏度為39.18nm·（RIU）-1，dip2的折射率靈敏度為52.56nm·（RIU）-1。因為傳感器的體積小、制作方便，且成本相對較低，所以得到了廣泛的運用，主要運用場景為醫學、生物等領域。