周雨萌,趙春柳,時(shí)菲菲,李裔,董新永

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電子技術(shù)研究所,杭州310018)

基于單模光纖的雙錐級(jí)聯(lián)干涉型角度傳感器

周雨萌,趙春柳,時(shí)菲菲,李裔,董新永

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電子技術(shù)研究所,杭州310018)

提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有高靈敏度的光纖角度傳感器.該傳感器傳感頭由普通單模光纖經(jīng)過(guò)CO2激光器刻寫(xiě)形成兩段參數(shù)不同的錐形光纖.當(dāng)信號(hào)光通過(guò)級(jí)聯(lián)光纖錐區(qū)時(shí),第一級(jí)錐區(qū)激發(fā)出的包層模傳播一段距離后,在第二級(jí)錐區(qū)與芯模發(fā)生干涉.當(dāng)角度變化時(shí),兩錐之間的距離即光程差將發(fā)生改變,同時(shí)光纖彎曲時(shí)纖芯模與包層模之間的模式耦合情況也發(fā)生變化,從而使干涉峰產(chǎn)生移動(dòng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)角度值在0.057 5?～0.075 0?的范圍內(nèi)變化時(shí),測(cè)量精度可以達(dá)到601.8 nm/(?).

角度傳感器;錐形光纖;雙錐級(jí)聯(lián);模式干涉儀;光纖傳感器

光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)為常規(guī)物理量的測(cè)量提供了一種全新的方法.目前,光纖傳感器已經(jīng)在折射率、溫度、應(yīng)力、位移、曲率等物理量測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用[1-5].角度測(cè)量在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛.例如,通過(guò)測(cè)量角度值,可以得知汽車的方向狀態(tài)并加以控制,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛;可以通過(guò)角度控制機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng);在航空領(lǐng)域可以檢測(cè)飛機(jī)飛行時(shí)的傾角以保證飛行安全[6-7].通常基于光纖結(jié)構(gòu)的角度傳感器的靈敏度比較低,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,制作也比較困難.例如一種基于馬赫澤德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉原理的角度傳感器[8],在一段很短的高摻鉺的光纖中制作兩個(gè)錐形區(qū),第一個(gè)錐區(qū)使部分纖芯模轉(zhuǎn)換成包層模,并在第二個(gè)錐區(qū)重新與芯模發(fā)生耦合,當(dāng)角度從0?變化到32?時(shí),干涉峰的最大位移可以達(dá)到40.8 nm.

上述研究采用氫氧焰對(duì)摻雜光纖進(jìn)行加熱時(shí),時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 min,其形成錐形結(jié)構(gòu)的過(guò)程比較緩慢.本工作提出了一種基于單模光纖的雙錐級(jí)聯(lián)干涉型角度傳感器,利用CO2激光器在普通單模光纖上按一定間隔連續(xù)刻寫(xiě)兩個(gè)錐形區(qū),采用瞬間高溫的方式使單模光纖中產(chǎn)生錐形結(jié)構(gòu),使其對(duì)彎曲等結(jié)構(gòu)的變化更加敏感.當(dāng)光信號(hào)通過(guò)第一級(jí)錐區(qū)時(shí),包層模被激發(fā)出來(lái),傳播一段距離后在第二級(jí)錐區(qū)與芯模發(fā)生干涉.當(dāng)角度發(fā)生變化時(shí),第一級(jí)錐區(qū)會(huì)發(fā)生彎曲,所激發(fā)出的包層模發(fā)生改變,同時(shí)芯模和包層模的有效折射率也會(huì)發(fā)生改變.另外,角度變化也使錐區(qū)的長(zhǎng)度即光程差發(fā)生改變,最終導(dǎo)致干涉峰發(fā)生移動(dòng),因此可以根據(jù)干涉峰的移動(dòng)來(lái)確定角度的變化情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)傳感器在一定的范圍內(nèi)有良好的線性度,且具有很高的靈敏度,當(dāng)角度在0.057 5?～0.075 0?之間變化時(shí),靈敏度可達(dá)601.8 nm/(?).如果采用分辨率為20 pm的光譜儀,在上述范圍內(nèi)角度的測(cè)量精度可以達(dá)到3.3×10-5?.

1 傳感原理

1.1 傳感器制作

圖1為傳感器制作原理,其中OSA為光學(xué)頻譜分析儀(opticalspectrumanalyzer),BBS為寬帶光源(broad band source).可見(jiàn),基于單模光纖的角度傳感器包括一段入射光纖、一段級(jí)聯(lián)雙錐光纖和一段出射光纖.級(jí)聯(lián)雙錐光纖作為傳感頭,由CO2高頻脈沖激光器(CO2-H10, Han’s Laser)在普通單模光纖上刻寫(xiě)而成,CO2激光器的峰值輸出功率為10W.單模光纖固定在兩個(gè)可位移平臺(tái)上,平臺(tái)的縱向移動(dòng)可以改變單模光纖的刻寫(xiě)位置.經(jīng)過(guò)第一次刻寫(xiě),光纖會(huì)發(fā)生微小彎曲形變,長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng).為使下一次刻寫(xiě)狀態(tài)更穩(wěn)定,所以在刻寫(xiě)的同時(shí),在單模光纖的一端懸掛一個(gè)20 g的砝碼,使光纖始終處于自然拉伸狀態(tài).CO2激光器產(chǎn)生的脈沖光照射在單模光纖上時(shí),被刻寫(xiě)區(qū)域發(fā)生熔融變形,在砝碼的拉伸下形成錐形結(jié)構(gòu).完成第一次刻寫(xiě)后,將光纖向左移動(dòng)10 mm,用同樣的方法刻寫(xiě)第二級(jí)錐形結(jié)構(gòu).在刻寫(xiě)過(guò)程中利用光源和光譜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控,采用1 540～1 640 nm的寬光譜光源作為信號(hào)輸入,輸出利用分辨率為20 pm的高分辨率光譜分析儀(Yokogawa AQ6370)進(jìn)行測(cè)量.

圖1 傳感器制作原理Fig.1 Fabrication setupof the proposed structure with two cascaded tapers

當(dāng)單模光纖完成第一次刻寫(xiě)時(shí),由于只存在一級(jí)錐形結(jié)構(gòu),不能發(fā)生干涉,透射光譜約有15 dB的損耗.當(dāng)?shù)诙?jí)錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生時(shí),輸出光譜有明顯的干涉現(xiàn)象.通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)兩級(jí)錐區(qū)的結(jié)構(gòu)大小不同,即右邊第二級(jí)錐形結(jié)構(gòu)的腰錐直徑小于左邊第一級(jí)時(shí),干涉現(xiàn)象會(huì)更加明顯.如圖2所示,虛線表示只有一級(jí)錐形結(jié)構(gòu)時(shí)透射光譜相對(duì)光源的變化,實(shí)線表示間隔為8 mm的雙錐級(jí)聯(lián)時(shí)透射光譜相對(duì)光源的變化,兩級(jí)腰錐的錐腰直徑分別為66.4和94.0μm,錐區(qū)長(zhǎng)度分別為174和145μm.在光譜分析儀中可以觀察到兩個(gè)明顯的干涉主極小,第一主極小和第二主極小的波長(zhǎng)分別為1 502和1 553 nm,消光比分別為25和15 dB.

圖2 兩次刻寫(xiě)透射光譜Fig.2 Transmission spectra of the structureswith one taper and with two cascaded tapers

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

角度傳感器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置如圖3所示.本實(shí)驗(yàn)中,左邊的第一級(jí)錐形結(jié)構(gòu)固定在左邊的固定平臺(tái)上,而右邊的第二級(jí)錐區(qū)受右邊可位移平臺(tái)的控制.兩個(gè)位移平臺(tái)的間距為40 mm.通過(guò)橫向移動(dòng)位移平臺(tái),可以使角度值發(fā)生改變.為精確控制角度變化,右邊的位移平臺(tái)每次橫向移動(dòng)0.1mm.

圖3 角度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置F ig.3 Testing setupof the proposed angle sensor

從寬帶光源發(fā)出的信號(hào)光沿著單模光纖經(jīng)過(guò)第一個(gè)錐區(qū)時(shí),會(huì)激發(fā)出一些有效折射率不同的包層模.由于第二級(jí)錐區(qū)的錐腰直徑小于第一級(jí),這些包層模將在經(jīng)過(guò)第二個(gè)錐區(qū)時(shí)與纖芯模重新耦合,發(fā)生模式干涉.當(dāng)圖3中的角度值θ發(fā)生變化時(shí),第一級(jí)錐區(qū)發(fā)生彎曲,彎曲的程度會(huì)影響激發(fā)出的包層模與纖芯模的比例.同時(shí),纖芯模和包層模的等效有效折射率將發(fā)生變化.另外,隨著角度值的增加,平臺(tái)的橫向移動(dòng)會(huì)對(duì)中間的單模光纖產(chǎn)生拉伸,使錐區(qū)的長(zhǎng)度發(fā)生變化,改變了芯模和包層模傳播的光程差.

當(dāng)兩模式之間的光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),干涉峰的諧振波長(zhǎng)可以表示為

式中,k為整數(shù),L為兩錐區(qū)的距離,nco和ncl,m分別為芯模和第m階包層模的有效折射率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)角度值隨著平臺(tái)的移動(dòng)發(fā)生變化時(shí),L,nco和ncl,m值都發(fā)生變化,最終使諧振波長(zhǎng)發(fā)生改變.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

干涉光譜隨角度的變化關(guān)系如圖4所示.可以看出,當(dāng)角度增加時(shí),諧振中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng).由于角度變化很小,當(dāng)右邊的位移平臺(tái)每次移動(dòng)0.1 mm時(shí),角度近似增加0.002 5?,當(dāng)位移平臺(tái)從原點(diǎn)橫向移動(dòng)3.0 mm時(shí),角度值從0?增加到0.075 0?,第二諧振谷中心波長(zhǎng)則從1 547.889 6 nm增加到1 565.385 4 nm.由于兩個(gè)諧振光譜由不同的包層模與纖芯模發(fā)生干涉,不同的包層模對(duì)角度有不同的敏感特性,而形成的第二個(gè)諧振谷的包層模對(duì)角度更敏感,所以其靈敏度高于第一個(gè)諧振谷.這里采用第二個(gè)諧振谷進(jìn)行角度測(cè)量.

圖4 干涉光譜隨角度值的變化Fig.4 Transmission spectra of the proposed sensor at diff erent testing angles

第二諧振谷的中心波長(zhǎng)與角度的關(guān)系如圖5所示.可以看出,中心波長(zhǎng)與角度值分段成線性關(guān)系,其斜率即為角度傳感器的靈敏度.在0?～0.017 5?的范圍內(nèi),傳感器靈敏度為28.646 nm/(?),線性擬合度為0.902 2;在0.017 5?～0.040 0?的范圍內(nèi),其靈敏度為208.21 nm/(?),線性擬合度為0.992 7;在0.040 0?～0.057 5?和0.057 5?～0.075 0?的范圍內(nèi),其靈敏度分別為139.5和601.8 nm/(?),線性擬合度分別為0.955 8和0.996 2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)傳感器具有較高的靈敏度,若采用20 pm精度的光譜分析儀進(jìn)行測(cè)量時(shí),在0.057 5?～0.075 0?的范圍內(nèi),角度分辨率可達(dá)3.3×10-5?.值得注意的是,傳感器在不同的角度范圍內(nèi)具有不同的靈敏度,其主要原因可能是由于當(dāng)角度值在不同范圍內(nèi)變化時(shí),錐形結(jié)構(gòu)所激發(fā)出的包層模式不同,導(dǎo)致包層模式總等效折射率不同,最后諧振中心波長(zhǎng)在L,nco和ncl,m三者的共同作用下發(fā)生移動(dòng).

3 結(jié)果分析

為了分析光纖中模式的干涉情況,采用快速傅里葉變換(fast Fourier transformation, FFT)對(duì)光譜進(jìn)行頻譜變換.如圖6所示,當(dāng)角度在0?～0.075 0?范圍內(nèi)變化時(shí),在0～0.15的頻率點(diǎn)之間存在1個(gè)主極大和7個(gè)次極大,每個(gè)極大值都由光纖基模與一個(gè)或多個(gè)包層模干涉而產(chǎn)生.位于0.02頻率點(diǎn)的主極大值對(duì)應(yīng)光纖基模與低階的包層模的干涉譜,余下的次極大值則由光纖基模與其他較高階的包層模干涉產(chǎn)生.當(dāng)角度發(fā)生變化時(shí),各極大值頻率及幅度發(fā)生變化,其主要原因是角度變化時(shí),與基模發(fā)生干涉的包層模階數(shù)以及比例變化使得干涉譜發(fā)生改變.

圖5 諧振谷中心波長(zhǎng)隨角度值的變化Fig.5 Relationships of the interference dipwavelength with the applied angle

圖6 干涉光譜FFT頻譜圖F ig.6 FFT of the interference spectra of the proposed sensor at diff erent applied angle

從圖6中還可以看出,當(dāng)角度值改變時(shí),各次極大與主極大的幅值比例不斷變化;同時(shí)與纖芯模發(fā)生干涉的包層模的各階次比例發(fā)生變化,或者有更高階的包層模與纖芯模發(fā)生干涉,使干涉譜頻域的中心頻率發(fā)生改變.由于干涉是由一個(gè)或多個(gè)包層模與纖芯模發(fā)生干涉,在不同的角度段光纖中激發(fā)出新的包層模與纖芯模發(fā)生干涉,有的包層模對(duì)角度敏感度高,有的敏感度低,總干涉譜的靈敏度是由一個(gè)或多個(gè)包層模與纖芯模共同作用的結(jié)果,最后導(dǎo)致不同的角度段靈敏度不同.

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作提出了一種基于單模光纖的雙錐級(jí)聯(lián)干涉型角度傳感器.包層模在第一級(jí)錐區(qū)被激發(fā)出來(lái),沿著單模光纖傳播一段距離后在第二級(jí)錐區(qū)與纖芯模發(fā)生干涉.當(dāng)角度值發(fā)生改變時(shí),纖芯模與包層模的光程差發(fā)生改變.同時(shí),彎曲的第一級(jí)錐區(qū)能激發(fā)出更多的高階的包層模,使得發(fā)生干涉的纖芯模和包層模的比例與成分發(fā)生變化,最終導(dǎo)致了干涉諧振谷發(fā)生移動(dòng).通過(guò)檢測(cè)干涉諧振谷的移動(dòng),可以得到角度值的變化.在一定的角度變化范圍內(nèi),中心波長(zhǎng)與角度值具有良好的線性度.當(dāng)角度值在0.057 5?～0.075 0?范圍內(nèi)變化時(shí),測(cè)量精度可以達(dá)到601.8 nm/(?),若采用分辨率為20 pm的光譜分析儀,其角度測(cè)量精度可達(dá)3.3×10-5?.另外,所設(shè)計(jì)角度傳感器制作簡(jiǎn)單,成本低廉,可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中.

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Ang le sensor with two cascad ing ab rupt-taper based on in terferometer and single mode optical fiber

ZHOU Yumeng,ZHAO Chunliu,SHIFeifei,LIY i,DONG Xinyong
(Institu te of Optoelectronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

This paper proposes a simple-fabricated and high sensitive angle sensor based on singlemode optical fiber.The sensor consists of two cascading abrupt-taperswith different sizes,fabricated with CO2laser.The cladding modes are excited in the fi rst taper and interfered with the core mode in the second taper.W hen an angle applied on the sensor,length between the two tapers changes.At the same time,the fi rst taper is bent, aff ecting the ratios and eff ective indices of the coremode,and the cladding modes excited by the fi rst taper.As a consequence,the interference pattern has a shift.By monitoring the shift,anglemeasurement is achieved.Experimental results show that the sensor has a good linear relation in a certain measurement range.Sensitivity of the anglemeasurement is as high as 601.8 nm/(?)between 0.057 5?and 0.075 0?.

angle sensor;tapered fiber;two cascading abrupt-taper;modal interferometer;fiber sensor

TN 29;TN 25;O 436.1

A

1007-2861(2017)04-0543-06

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1714

2015-08-19

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY 17F050010)

趙春柳(1973—),女,教授,博士,研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù).E-mail:zhchunliu@hotmail.com