邵 敏, 喬學(xué)光, 傅海威, 李 巖, 姚 妮, 賈振安

1.西安石油大學(xué)理學(xué)院陜西省光電傳感測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065 2.西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072 3.西北大學(xué)物理學(xué)院, 陜西 西安 710069 4.浙江大學(xué)光電工程系現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310027

光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器

邵 敏1, 2, 喬學(xué)光3, 傅海威1, 李 巖1, 姚 妮4, 賈振安1

1.西安石油大學(xué)理學(xué)院陜西省光電傳感測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065 2.西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072 3.西北大學(xué)物理學(xué)院, 陜西 西安 710069 4.浙江大學(xué)光電工程系現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310027

提出了一種基于光纖布拉格光柵嵌入單模-多模纖芯-單模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器。當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，SMS光纖結(jié)構(gòu)的干涉光譜會(huì)發(fā)生漂移，而光纖布拉格光柵對(duì)濕度不敏感，其纖芯基模保持不變。因此利用SMS光纖結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境濕度的敏感性去調(diào)制光纖布拉格光柵纖芯基模，通過檢測(cè)光纖布拉格光柵纖芯基模的反射能量變化就可以實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量。數(shù)值模擬了SMS光纖結(jié)構(gòu)的內(nèi)部光場(chǎng)分布規(guī)律，理論計(jì)算了不同環(huán)境折射率時(shí)，多模纖芯的長(zhǎng)度、直徑對(duì)SMS光纖結(jié)構(gòu)輸出能量耦合系數(shù)的影響。理論模擬表明，隨著環(huán)境折射率變化，SMS光纖結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)睦w芯基模的輸出能量耦合系數(shù)會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)制作了傳感器樣品并對(duì)其進(jìn)行了傳感實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多模纖芯長(zhǎng)35 mm、纖芯直徑為85 μm的傳感器在45%～95%RH濕度變化范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃溫度范圍內(nèi)，傳感器的溫度靈敏度為0.008 nm·℃-1，溫度所帶來的濕度測(cè)量誤差為0.047%RH·℃-1。傳感器具有制作簡(jiǎn)單、靈敏度高、反射式能量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在濕度測(cè)量領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。

光纖布拉格光柵；單模-多模纖芯-單模光纖結(jié)構(gòu)；濕度傳感

引 言

濕度是指空氣中的水蒸氣的含有量，表示空氣的干燥程度，常用的度量值有絕對(duì)濕度、露點(diǎn)、相對(duì)濕度等。絕對(duì)濕度是指單位體積空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量，與溫度和壓力有關(guān)。露點(diǎn)指空氣中水蒸氣含量和氣壓不變的條件下冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度。相對(duì)濕度(relative humidity, RH)表示空氣中的絕對(duì)濕度與同溫度下的飽和絕對(duì)濕度的比值。濕度測(cè)量在氣象、農(nóng)林業(yè)、生物化學(xué)、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。尤其在林業(yè)中，濕度是林火預(yù)報(bào)重要的衡量指標(biāo)之一，空氣中的水分含量是森林能否燃燒以及衡量林火蔓延速度的重要參數(shù)。相對(duì)濕度越大，可燃物的水分吸收越快，蒸發(fā)越慢，可燃物含水量增加，越不容易發(fā)生火災(zāi)。所以濕度的測(cè)量尤為重要。與傳統(tǒng)的電類濕度傳感器相比，光纖型濕度傳感器[1-3]可工作在嚴(yán)重污染和強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離測(cè)量，而且無污染，吸引了廣泛關(guān)注?；诠饫w布拉格光柵的濕度傳感器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能夠波分復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，在光纖型濕度傳感器中研究較多。由于光纖布拉格光柵自身對(duì)外界環(huán)境的濕度變化不敏感，為了提高光纖布拉格光柵的濕度靈敏度，研究者們提出了多種方案。一是在光纖布拉格光柵上涂覆濕敏材料[4-5]，如聚酰亞胺、水凝膠、聚乙烯醇等。Ding[6]在光纖布拉格光柵上涂覆聚酰胺，實(shí)現(xiàn)了20%～80%RH濕度范圍內(nèi)的濕度測(cè)量。David[7]在化學(xué)腐蝕光纖光柵直徑后涂覆玻璃增強(qiáng)型聚酰亞胺，傳感器的靈敏度可達(dá)1.28 pm·(%RH)-1。由于濕敏材料在高溫作用下性能容易發(fā)生改變，所以鍍膜類濕度傳感器的穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響。二是寫制特殊的光纖光柵[8-9]，如Yuan[10]在鍍制環(huán)烯烴類共聚物(TOPAS)的微結(jié)構(gòu)光纖上寫入光纖布拉格光柵，傳感器的濕度靈敏度為-0.7 pm·(%RH)-1。但這種方法受限于光纖光柵的寫制技術(shù)，且增加成本。而且多數(shù)的濕度傳感器未涉及溫度與濕度的交叉靈敏問題?；诖?，提出了一種基于光纖布拉格光柵嵌入單模-多模纖芯-單模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纖的濕度傳感器，利用SMS光纖結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境的敏感性，實(shí)現(xiàn)了濕度測(cè)量。傳感器制作簡(jiǎn)單、無需鍍膜、濕度靈敏度高且可消除溫度影響等優(yōu)點(diǎn)。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)原理與制作

光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結(jié)構(gòu)的原理圖見圖1所示。當(dāng)光從單模光纖進(jìn)入多模纖芯時(shí)，由于纖芯失配會(huì)激發(fā)出多個(gè)高階模，這些高階模和纖芯基模在多模纖芯中傳輸一段距離后耦合進(jìn)入單模光纖。高階模和纖芯基模遇到光纖布拉格光柵時(shí)，被部分反射后進(jìn)入到多模纖芯，并經(jīng)由單模光纖輸出。當(dāng)外界環(huán)境的濕度發(fā)生變化時(shí)，由于光纖布拉格光柵自身對(duì)濕度并不敏感，所以反射回來的纖芯基模的能量和波長(zhǎng)會(huì)保持不變。多模纖芯無包層，環(huán)境空氣充當(dāng)了其包層，因此多模纖芯中傳輸?shù)母麟A模式對(duì)外界環(huán)境的變化很敏感。同時(shí)，石英光纖中的SiO2分子與濕氣的H2O分子之間存在著吸附[11-12]，所以空氣濕度變化時(shí)，多模纖芯內(nèi)的有效折射率發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致SMS光纖結(jié)構(gòu)的透射光譜發(fā)生漂移。因此SMS光纖結(jié)構(gòu)的透射光譜會(huì)調(diào)制光纖布拉格光柵纖芯基模的能量，使之隨濕度改變而變化。SMS光纖結(jié)構(gòu)是傳感元件，感知外界環(huán)境濕度參量的變化，而且傳輸纖芯基模和高階模。光纖布拉格光柵則充當(dāng)了濾波器和反射鏡，僅保留纖芯基模和某些高階模，并將它們反射輸出。

將SMS光纖結(jié)構(gòu)與光纖布拉格光柵結(jié)合，不僅可以解決光纖布拉格光柵對(duì)外界環(huán)境濕度的不敏感，無需鍍制濕敏材料，也無需腐蝕光纖布拉格光柵的直徑至微納量級(jí)，降低其機(jī)械強(qiáng)度。還可以實(shí)現(xiàn)反射式測(cè)量，有利于傳感器的封裝。

圖1 FBG嵌入SMS光纖結(jié)構(gòu)的原理圖

實(shí)驗(yàn)中將一段長(zhǎng)為35 mm多模光纖(S105/125)剝除去涂覆層，酒精擦拭干凈后，用光纖切刀將其兩端平整切除后放入濃度為45%的氫氟酸中，腐蝕時(shí)間為10 min。腐蝕結(jié)束后，取出多模纖芯，用蒸餾水多次反復(fù)清洗以去除殘留余酸，得到直徑為85 μm的多模纖芯。選用一根單模光纖(SMF-28)上寫入的布拉格光纖光柵，光柵柵距為530 nm。利用光纖熔接機(jī)(Furukawa，S177)將多模纖芯與光纖布拉格光柵進(jìn)行無偏芯熔接，多模纖芯距光纖布拉格光柵的距離小于5 mm。多模纖芯的另一端與一根單模光纖也進(jìn)行無偏芯熔接，形成單模-多模纖芯-單模光纖(SMS)結(jié)構(gòu)與光纖布拉格光柵的級(jí)聯(lián)。為了獲得較高的反射率，光纖布拉格光柵的尾纖端面打磨粗糙。圖2是單模光纖與多模纖芯熔接點(diǎn)處的照片。

圖2 多模纖芯與單模光纖的熔接照片

圖3是光纖布拉格光柵與光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結(jié)構(gòu)的反射光譜圖。從圖3(a)中可以知道，光纖布拉格光柵的反射中心波長(zhǎng)λ0為1 553.480 nm。圖3(b)表明與SMS光纖結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)后，光纖布拉格光柵的反射中心波長(zhǎng)未發(fā)生變化，但在纖芯基模λ0的左側(cè)出現(xiàn)了高階模λ1(1 552.005 nm)。這說明SMS光纖結(jié)構(gòu)與光纖布拉格光柵級(jí)聯(lián)后，激發(fā)出了光纖布拉格光柵的高階模。

圖3 FBG(a)與FBG嵌入SMS光纖結(jié)構(gòu)(b)的反射光譜圖

2 SMS光纖結(jié)構(gòu)的理論模擬

當(dāng)光由單模光纖進(jìn)入到多模纖芯時(shí)，會(huì)在多模纖芯內(nèi)激發(fā)出一系列的高階模式。假設(shè)單模光纖與多模纖芯的熔接為理想化，由于輸入場(chǎng)的圓對(duì)稱性，則只有纖芯基模LP01和LP0m模在光纖中傳輸。忽略輻射損耗，則從單模光纖進(jìn)入多模纖芯中的輸入光場(chǎng)可以看作是由所有傳導(dǎo)模式的線性疊加而成[13]，表示為

(1)

式中Ψm(r)是LP0m模的光場(chǎng)分布，由多模纖芯的直徑、纖芯折射率決定；bm是每個(gè)模式的激勵(lì)系數(shù)，bm寫作

(2)

當(dāng)傳播z距離后，多模纖芯內(nèi)的光場(chǎng)分布為

(3)

式中βm=kneff是每個(gè)模式的傳播常數(shù)。

對(duì)E(r,z)和單模光纖中輸出的基模光場(chǎng)分布E0(r)使用重疊積分，得到能量耦合系數(shù)

(4)

在理想波導(dǎo)中，各個(gè)模式之間的光之間獨(dú)立傳播，互不影響。但是在外界因素，破壞了波導(dǎo)的均勻性時(shí)，模式之間會(huì)發(fā)生能量的交換，導(dǎo)致模式耦合。在SMS光纖結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光從單模光纖進(jìn)入到多模纖芯，由于纖芯失配使得由原來單模光纖中的單一模式激發(fā)出了多模纖芯中的多個(gè)模式。激發(fā)出的各階模式的能量就由單模光纖中的纖芯基模和多模纖芯中的對(duì)應(yīng)模式的耦合系數(shù)決定。能量耦合系數(shù)是入射光功率與多模纖芯中每一特定模式的耦合功率的函數(shù)，決定了各激發(fā)模式功率的大小。通過求解耦合系數(shù)，可以計(jì)算出各階模式傳輸?shù)墓夤β?，并確立模式之間的干涉。

由于耦合系數(shù)的求解較為復(fù)雜，一般采用數(shù)值模擬方法研究光波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)分布。光束傳播法(beam propagation method, BPM)[14]是標(biāo)量亥姆霍茲方程的迭代解法，其基本思想是把波導(dǎo)沿著傳播方向剖成若干個(gè)二維截面，每一個(gè)截面上的電磁場(chǎng)分量可用偏微分方程來表示。根據(jù)前一個(gè)截面上的已知場(chǎng)分布計(jì)算出下一個(gè)截面上的場(chǎng)分布。BPM算法具有計(jì)算快捷、節(jié)省存儲(chǔ)空間、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠直觀形象地反映出光波導(dǎo)中光場(chǎng)的傳輸與分布情況，是目前光波導(dǎo)器件研究與設(shè)計(jì)中使用較多的方法之一。本文使用美國(guó)RSOFT公司研發(fā)的RSOFT商用軟件，利用BPM算法對(duì)SMS光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 SMS光纖結(jié)構(gòu)仿真模型的參數(shù)設(shè)置

在RSOFT軟件內(nèi)建立仿真模型，并對(duì)初始輸入的光場(chǎng)能量進(jìn)行歸一化。理論計(jì)算中參數(shù)設(shè)置詳見表1，其中兩段單模光纖的長(zhǎng)度均為1 mm。模擬得到SMS光纖結(jié)構(gòu)的內(nèi)部光場(chǎng)分布見圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，光在單模光纖中傳輸時(shí)，光場(chǎng)的能量分布沒有發(fā)生變化，保持為1.0。當(dāng)光從單模光纖進(jìn)入多模纖芯時(shí)，激發(fā)出了多個(gè)模式，各個(gè)模式之間產(chǎn)生耦合，導(dǎo)致能量變?nèi)趸虔B加。而且在多模纖芯內(nèi)部某些傳輸點(diǎn)能量極大，某些傳輸點(diǎn)處能量極小，使得光場(chǎng)分布在傳輸距離的方向上出現(xiàn)了周期性，即自映像效應(yīng)。從多模纖芯輸出至單模光纖的歸一化能量為0.24，即SMS光纖結(jié)構(gòu)的輸出耦合能量系數(shù)為0.24。

圖4 SMS光纖結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)傳輸示意圖

模擬計(jì)算了不同多模纖芯參數(shù)的SMS光纖結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境折射率下纖芯基模的輸出耦合能量系數(shù)，計(jì)算中選取的參數(shù)除外界環(huán)境折射率、多模纖芯直徑和長(zhǎng)度外，其余參數(shù)仍按表1設(shè)置，計(jì)算結(jié)果見圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在特定波長(zhǎng)下，纖芯基模的輸出耦合能量系數(shù)由多模纖芯的直徑和長(zhǎng)度決定。當(dāng)選擇合適的多模纖芯參數(shù)時(shí)，就可獲得較高的輸出耦合能量系數(shù)，因此通過改變多模纖芯的參數(shù)可優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)。圖5還表明纖芯基模的輸出耦合能量系數(shù)隨著環(huán)境折射率的改變而改變。由于空氣濕度改變時(shí)，大氣的折射率會(huì)發(fā)生改變，SMS光纖結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境折射率的敏感性說明其可用于濕度測(cè)量。當(dāng)環(huán)境折射率從1.0增加至1.1時(shí)，多模纖芯長(zhǎng)35 mm、直徑為85 μm的SMS光纖結(jié)構(gòu)的纖芯基模的輸出耦合能量系數(shù)從0.24增加至0.29，因此可以預(yù)期制作的傳感器的纖芯基模的能量對(duì)濕度響應(yīng)敏感。

圖5 不同環(huán)境折射率下SMS光纖結(jié)構(gòu)的輸出能量耦合系數(shù)

Fig.5 Output coupling coefficients of the SMS fiber structure at different surrounding refractive indices

3 結(jié)果與分析

將制作好的傳感器樣品繃直后兩端固定在有機(jī)玻璃上，然后將封裝好的傳感器放入濕度箱(WHTH-225L-20-300)中，濕度實(shí)驗(yàn)的裝置圖見圖6所示，寬帶光源(Lightcomm, ASE-CL)發(fā)出的光經(jīng)1×2耦合器進(jìn)入傳感器后，光纖布拉格光柵將光再反射至耦合器，反射光譜由光譜儀(Anritsu, MS9740A)接收。濕度箱的溫度設(shè)定為20 ℃，從45%RH開始以5%RH為間隔增加濕度箱的濕度至95%RH，用光譜儀記錄不同濕度下傳感器的反射光譜。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

濕度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7所示。圖7表明，當(dāng)環(huán)境濕度增加時(shí)，光纖布拉格光柵纖芯基模的能量線性增加，這與前述模擬結(jié)果相符。而纖芯基模的波長(zhǎng)在濕度實(shí)驗(yàn)中幾乎保持不變，說明該傳感器可實(shí)現(xiàn)基于能量檢測(cè)的濕度測(cè)量。圖8是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的傳感器濕度靈敏度曲線，圖中實(shí)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值，實(shí)線為線性擬合直線。從圖中可得知，當(dāng)濕度變化范圍為45%RH～95%RH時(shí)，光纖布拉格光柵纖芯基模的能量增加了3.39 dBm，傳感器的濕度靈敏度為0.06 dBm·(%RH)-1，線性度為0.997。

圖8 傳感器的濕度靈敏度曲線

由于溫度對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果有一定影響，所以對(duì)傳感器的溫度響應(yīng)特性也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。將濕度箱的濕度設(shè)定為60%RH，并保持不變。從20～80 ℃，每間隔10 ℃改變濕度箱的溫度，記錄光纖布拉格光柵纖芯基模的光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9所示。圖9表明隨著環(huán)境溫度的升高，光纖布拉格光柵纖芯基模的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，發(fā)生紅移，而能量變化幅度不大。這是因?yàn)橛捎跓崤蛎浶?yīng)，光纖布拉格光柵纖芯基模的中心波長(zhǎng)發(fā)生紅移，而SMS光纖結(jié)構(gòu)干涉光譜的漂移量較小，所以光纖布拉格光柵纖芯基模的能量調(diào)制不明顯。傳感器的溫度靈敏度為0.008 nm·℃-1，線性度為0.999。而溫度實(shí)驗(yàn)中纖芯基模的能量變化幅度較小。在20～80 ℃溫度范圍內(nèi)，能量變化小于0.2 dBm，溫度所帶來的濕度測(cè)量誤差為0.047%RH·℃-1，在實(shí)際應(yīng)用中可以忽略溫度對(duì)濕度測(cè)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的波長(zhǎng)對(duì)溫度敏感，能量對(duì)濕度敏感，意味著傳感器具有可同時(shí)區(qū)分測(cè)量溫度與濕度的潛力。

圖9 傳感器的溫度靈敏度曲線(插圖為纖芯基模反射光譜的溫度響應(yīng))

Fig.9 The peak wavelength as a function of temperature (Inset shows the reflective spectral responses of the core mode at different temperature)

4 結(jié) 論

提出了一種基于光纖布拉格光柵嵌入SMS光纖結(jié)構(gòu)結(jié)合的傳感器。利用SMS光纖結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境參量敏感的特性，調(diào)制光纖布拉格光柵纖芯基模的能量，實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量。利用RSOFT軟件建立了SMS光纖結(jié)構(gòu)模型，理論分析了多模纖芯的長(zhǎng)度、直徑、外界環(huán)境折射率對(duì)SMS光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)部光場(chǎng)分布及輸出耦合能量系數(shù)的影響。制作了傳感器樣品并對(duì)其進(jìn)行了傳感實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多模纖芯長(zhǎng)35 mm，纖芯直徑為85 μm的傳感器在45%～95%RH濕度變化范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.06 dBm·(%RH)-1，纖芯基模波長(zhǎng)保持不變；在20～80 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度靈敏度為0.008 nm·℃-1，而纖芯基模能量變化幅度較小，因此溫度對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。該傳感器可實(shí)現(xiàn)基于能量檢測(cè)的濕度傳感測(cè)量，在濕度測(cè)量領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

[1] Yeo T L, Sun T, Grattan K T V.Sensors and Actuators A, 2008, 114: 280.

[2] Wu Qiang, Semenova Y, Mathew J, et al.Optics Letters, 2011, 36(10): 1752.

[3] Chen L H, Li T, Chana C C, et al.Sensors and Actuators B, 2012, 169(1): 167.

[4] Huang X F, Sheng D R, Cen K F.Sensors and Actuators B, 2007, 127: 518.

[5] ZHANG Xiang-dong, LI Yu-lin, PENG Wen-da, et al(張向東, 李育林, 彭文達(dá), 等).Acta Photonica Sinica(光子學(xué)報(bào))，2003, 32(10): 1166.

[6] Ding F X, Wang L, Fang N.Proc.SPIE Optical Sensors and Biophotonics Ⅱ, 2011, 7990: 79900C.

[7] David N A, Wild P M, Djilali N.Measurement Science & Technology, 2012, 23: 035103.

[8] MIAO Yin-ping, LIU Bo, LIU Jian, et al(苗銀萍, 劉 波, 劉 健, 等).Journal of Optoelectronics Laser (光電子 激光), 2010, 21(7): 978.

[9] Gu B, Yin M J, Zhang A P, et al.Optics Express, 2011, 19(5): 4140.

[10] Yuan W, Khan L, Webb D J, et al.Optics Express, 2011, 19(20): 19731.

[11] Awakuni Y, Calderwood J H.Journal of Physics D: Applied Physics, 1972, 5(5): 1038.

[12] Tiefenthaler K, Lukosz W.Thin Solid Films, 1985, 123(3): 205.

[13] Mohammed W S, Mehta A, Johnson E G Journal of Lightwave Technology, 2004, 20(2): 469.

[14] Feit M D, Fleck J A.Applied Optics, 1978, 17(24): 3990.

(Received Jan.8, 2015; accepted May 16, 2015)

Fiber Humidity Sensor Based on Fiber Bragg Grating Sandwiched in SMS Fiber Structure

SHAO Min1，2，QIAO Xue-guang3，F(xiàn)U Hai-wei1，LI Yan1，YAO Ni4，JIA Zhen-an1

1.Shaanxi Key Laboratory of Photoelectric Oil-gas Logging and Detecting, School of Science, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China 2.Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Science, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China 3.School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China 4.National Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Department of Optical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

A fiber humidity sensor based on Fiber-Bragg Grating (FBG) sandwiched in single-mode-multimode fiber core-single mode (SMS) fiber structure is proposed and demonstrated.When the surrounding humidity changes, the central wavelength of FBG remains unchanged for it is insensitive to humidity, while the interference spectrum of SMS fiber structure will shift for it is sensitive to the surrounding humidity.Hence, the shift of the SMS fiber structure interference spectrum with humidity could modulate the FBG core mode.Through measuring the reflected power of the FBG core mode the detection of humidity can be realized.The beam propagation of the SMS fiber structure with different lengths of multimode fiber core (MMFC), diameters of MMFC, and surrounding refractive indices are theoretically simulated with beam propagation method.Theoretical simulation indicates that the output core mode power coefficients shift with surrounding humidity of the SMS fiber structure.Experimental results show that the sensor has a linear response to humidity with enhanced sensitivity of 0.06 dBm·(%RH)-1in the humidity range of 45%～95%RH with length of 35 mm and diameter of 85 μm.The temperature effect of the sensor is also discussed, the temperature sensitivity is 0.008 nm·℃-1in the temperature range of 20～80 ℃ and the measurement error of temperature is 0.047% RH·℃-1.Such cost-effective, high sensitive, and reflective power detection based optical fiber humidity sensor could be used in humidity sensing applications.

Fiber Bragg Grating；Single-mode-multimode fiber core-single mode fiber structure；Humidity sensing

2015-01-08，

2015-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61275088, 61327012)和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016JQ6021)資助

邵 敏，女，1979年生，西安石油大學(xué)理學(xué)院副教授 e-mail: shaomin@xsyu.edu.cn

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-3008-06