陳大鳳，魯 平，劉德明

(華中科技大學光學與電子信息學院下一代互聯(lián)網(wǎng)接入國家工程實驗室，武漢430074)

引 言

近年來，全光纖在線馬赫-曾德爾干涉儀(in-line Mach-Zehnder interferometer，IMZI)已經(jīng)被廣泛研究。通過引入模式耦合器，在線馬赫-曾德爾干涉儀可以實現(xiàn)纖芯模式與包層模式的耦合和再耦合，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)結(jié)實而緊湊，容易制造而且可采用波長或者功率編碼進行測量，所以已經(jīng)廣泛應用于應變、溫度、折射率［1-3］等等一些測量應用?；谠诰€馬赫-曾德干涉儀的曲率傳感器中有很多是通過熔接不同種類的光纖制得。GONG等人提出的是單模-多模-單模結(jié)構(gòu)，測得的曲率靈敏度最大為10.38nm/m-1，測量范圍是0.25m-1～0.5m-1［4］。WANG 等人提出了多模-單模-多模結(jié)構(gòu)進行曲率測量，得到的靈敏度最大為(14.40±0.02)nm/m-1［5］。MAO等人通過錯位熔接得到的單模-多模-單模結(jié)構(gòu)的最大曲率靈敏度是22.947nm/m-1［6］。

還有一些曲率傳感器是通過在單模光纖上制作出特殊結(jié)構(gòu)制得的，比如拉錐、刻光柵等等。相應的研究有:級聯(lián)兩個光纖錐體結(jié)構(gòu)［7］，將1根多模光纖和1個光纖光柵［8］或者長周期光纖光柵［9］串聯(lián)來進行曲率傳感。然而拉錐后的光纖比較脆弱，在測量的過程中容易折斷，而涂上保護材料又會增加實驗的復雜度。同樣，引入光纖光柵也會增加實驗的難度，并且易受溫度的影響［10］。

目前，一些基于特種光纖的曲率傳感器也得到了研究，比如在兩段單模光纖之間熔接一段光子晶體光纖［11］，或者雙芯光纖［12］。XU 等人提出了一種曲率傳感器，它是基于單模-雙芯-單模結(jié)構(gòu)［13］，得到的靈敏度為4.3421nm/m-1。

本文中提出一種新穎的曲率傳感器結(jié)構(gòu)，其是由單模-鼓包-保偏光子晶體光纖-多模-單模光纖所組成。該傳感器在0.04582m-1～0.054776m-1以及0.054776m-1～0.06929m-1曲率范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出線性靈敏度，靈敏度值分別為93.95nm/m-1和30.89nm/m-1，該靈敏度比參考文獻［5］和參考文獻［11］中的都高，同時光子晶體光纖對溫度不敏感，所以該結(jié)構(gòu)適合用于高靈敏度小曲率測量，且應用前景更大。

1 實驗原理和傳感頭設計

傳感頭設計如圖1a所示。單模光纖(single-mode fiber，SMF)里的光通過鼓包時，部分光功率被耦合到保偏光子晶體光纖(polarization-maintaining photonic crystal fiber，PM-PCF)的包層，而纖芯和包層里的光功率分配決定了干涉譜的對比度，所以控制鼓包的大小及保偏光子晶體光纖和多模光纖(multimode fiber，MMF)的長度很重要。保偏光子晶體光纖纖芯和包層里的光在多模光纖的纖芯里發(fā)生干涉后再被耦合到單模光纖里輸出，這樣就構(gòu)成了一個全光纖在線馬赫-曾德爾干涉儀。單模光纖與長度L1=3.6cm的保偏光子晶體光纖通過熔接機(Fujikura FSM-60S)手動模式熔接成一個鼓包，這個只需將熔接機的重疊參量設成25μm以上，此處是35μm。多模光纖(長度L2=3mm)與保偏光子晶體光纖錯位熔接，錯位22μm。圖1b顯示的是本實驗中所用的保偏光子晶體光纖的截面顯微圖。該光纖剝?nèi)ネ扛矊雍蟮闹睆綖?25μm。

Fig.1 a—schematic diagram of proposed curvature sensor head b—crosssection micrograph of PM-PCF

鼓包的設計原因是:單模光纖與保偏光子晶體光纖熔接容易產(chǎn)生氣泡［14］，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)通過重疊熔接(即熔成鼓包)就可以避免氣泡產(chǎn)生，同時由于坍塌區(qū)域的存在，所以重疊值選為35μm，得到一個小鼓包。當然坍塌區(qū)域可通過適當?shù)娜劢訁⒘勘苊?，但是這對操作者的熔接技術(shù)有很大的要求，所以本文中充分利用了坍塌區(qū)域及重疊熔接降低了對熔接技術(shù)的要求。光纖長度的選擇是基于高階模容易損耗的原理，因而盡量選擇短一些的。

基于纖芯模式和包層模式的總相位差［15］公式，當相位差滿足φ=(2m+1)π時，m是一個非負整數(shù)，則諧振的波谷波長為:

式中，nco-eff和ncl-eff分別表示的是纖芯和包層模式的有效折射率，L是在線馬赫-曾德爾干涉儀的物理長度，λm是m對應的真空波長。

當某一曲率施加于在線馬赫-曾德爾干涉儀上時，纖芯和包層模式的相位差就會發(fā)生變化，干涉譜的波谷波長則發(fā)生漂移，這樣就可通過測試波長的漂移來得到所施加的曲率大小。

2 實驗裝置與實驗結(jié)果

圖2所示是實驗中所用的曲率測量裝置，一臺輸出光譜為(1520～1610)nm的放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission，ASE)光源，用來探測傳感器輸出光譜的光譜分析儀(optical spectrum analyzer，OSA)(YOKOGAWA AQ6370C)，其分辨率為0.02nm。實驗中用到的保偏光子晶體光纖和單模光纖都是由長飛光纖光纜有限公司所制造。該在線馬赫-曾德爾干涉儀的兩端由位移平臺上的光纖夾持器夾住，通過調(diào)節(jié)位移平臺上的千分尺(分辨率為10μm)引入位移便可以產(chǎn)生彎曲以改變傳感光纖的曲率。整個光學系統(tǒng)都是放置在防震光學平臺上以保證其穩(wěn)定性。

Fig.2 Experimental setup of curvature sensor

由幾何分析可得曲率與位移s之間的關(guān)系式:

式中，L是兩個光纖夾持器之間的初始位置(即馬赫-曾德爾干涉儀的物理長度)，此處為20cm，s是位移平臺向內(nèi)移動的距離，r是彎曲的半徑。

圖3中給出的是室溫下(大約為25℃)沒有引入曲率時，該傳感器的傳輸光譜。作者選擇位于1540nm附近的波谷波長進行實驗。

Fig.3 Transmission spectrum of IMZI sensor without curvature

實驗結(jié)果如圖4所示，位移為70μm～160μm，對應的曲率為0.04582m-1～0.06929m-1，分別測出相應的傳輸光譜。圖所呈現(xiàn)的趨勢是隨著曲率的增加，波谷波長向短波長漂移。

Fig.4 Transmission spectra of IMZI sensor under different curvatures

每個曲率都對應著一個波谷波長，數(shù)據(jù)整理如圖5所示，表示波長和曲率變化之間的關(guān)系，擬合的結(jié)果顯示在0.04582m-1～0.054776m-1及0.054776m-1～0.06929m-1曲率范圍內(nèi)各自呈現(xiàn)線性關(guān)系，靈敏度值分別為93.95nm/m-1，30.89nm/m-1，相應得到該傳感器曲率測量的分辨率分別為0.0002m-1和0.0006m-1，該分辨率受光譜分析儀的分辨率所限制。因此該傳感器可以應用于高精度的小曲率測量場合。

3 結(jié)論

提出了一種小曲率傳感器結(jié)構(gòu)，并對其曲率靈敏度進行了理論分析和實驗測量，測得的曲率靈敏度在0.04582m-1～0.054776m-1及0.054776m-1～0.06929m-1范圍內(nèi)分別為 93.95nm/m-1，30.89nm/m-1，且各自成線性關(guān)系。因此，該保偏光子晶體光纖曲率傳感器在健康監(jiān)測等需要測量小曲率的場合具有良好的應用前景。

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