李德強(qiáng),曹 曄*,宮順順,辛鵬程,孫朝陽(yáng),楊長(zhǎng)龍,李麗君

(1.青島大學(xué)電子信息學(xué)院,山東 青島 266071;2.山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院,山東 青島 266590)

21世紀(jì)初中國(guó)步入信息化時(shí)代,快速發(fā)展的信息化時(shí)代對(duì)信息的采集的準(zhǔn)確性和高精度有了進(jìn)一步的要求,研究新型的光纖傳感器,來(lái)滿足信息化時(shí)代的需求是信息通信領(lǐng)域的一大變革。近幾年,越來(lái)越多的科研工作者研究干涉型光纖傳感器,并把研究成果應(yīng)用于航天、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信等諸多領(lǐng)域[1-6],取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和突出的成績(jī)。干涉型光纖傳感器可以由球形[7-8]、花生錐形[9]、拉錐[10]和錯(cuò)芯[11]等結(jié)構(gòu)構(gòu)成,目前可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、折射率、應(yīng)變、磁場(chǎng)等物理量的測(cè)量。例如2014年,傅海威等設(shè)計(jì)了一種基于單模-多模-細(xì)芯-單模光纖的馬赫-曾德爾(MZ)干涉結(jié)構(gòu),測(cè)得干涉谷的折射率和溫度的靈敏度分別是為-53.03 nm/RIU和0.046 5 nm/℃[12]。2015年,WuJixuan等提出了一種基于細(xì)芯光纖(TCF)的光纖傳感器,并進(jìn)行了位移和溫度的雙參量同時(shí)測(cè)量,位移的靈敏度達(dá)到了-0.010 28 nm/μm 和-0.015 35 nm/μm,溫度的靈敏度達(dá)到了0.009 42 nm/℃ 和0.004 93 nm/℃[13]。2016年,梁明玉等提出一種基于馬赫-曾德爾干涉的球形結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器,測(cè)得中間單模光纖為1.8 cm時(shí)的溫度靈敏度為0.129 7 nm/℃[14]。2016年,周孟暉等制作了基于細(xì)芯光纖的MZ干涉?zhèn)鞲衅?實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、折射率、應(yīng)變、彎曲的測(cè)量,靈敏度分別為72.0 nm/℃、-8.12 nm/RIU、1.8 pm/μm、2.07 nm/m-1[15]。

本文設(shè)計(jì)制作了一種基于細(xì)芯光纖和雙球結(jié)構(gòu)的干涉型光纖傳感器,利用纖芯模式與包層模式的干涉,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、折射率和拉力的測(cè)量,該傳感器有較好的靈敏度和線性度。

1 傳感原理

本文制作了一種球形-細(xì)芯-球形干涉型光纖傳感器。在兩根單模光纖上分別做出球形結(jié)構(gòu),與細(xì)芯光纖熔接,制作成的傳感結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

入射光通過(guò)單模光纖進(jìn)入左端的球形結(jié)構(gòu),由于球形結(jié)構(gòu)的耦合作用,一部分光進(jìn)入細(xì)芯光纖的纖芯,另外一部分耦合進(jìn)入包層,分別激發(fā)出細(xì)芯光纖的纖芯模式與包層模式,這兩種模式傳輸?shù)接叶说那蛐谓Y(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生耦合,包層模式會(huì)耦合回單模光纖的纖芯。由于傳輸路徑不同,纖芯模式和包層模式之間存在相位差,從而形成干涉。該干涉是基于馬赫曾爾德(M-Z)干涉理論,因此該傳感器是基于M-Z干涉的光纖傳感器。纖芯模式與包層模式的相位差表達(dá)式為[16]:

(1)

式中:L為干涉長(zhǎng)度,λ為真空中的波長(zhǎng),Δneff=nco-ncl是纖芯與包層有效折射率的差,nco是纖芯有效折射率,ncl是包層有效折射率,nex是外界折射率。

干涉時(shí)光的光強(qiáng)表達(dá)式[17]為:

(2)

式中:I1與I2分別為細(xì)芯光纖的纖芯模和包層模的光強(qiáng)。

當(dāng)φ=(2m+1)π(m為正整數(shù))時(shí),干涉光強(qiáng)達(dá)最小值,出現(xiàn)干涉谷。由表達(dá)式(1)得波谷的波長(zhǎng)為:

(3)

當(dāng)溫度變化時(shí),纖芯與包層有效折射率之差與干涉長(zhǎng)度L會(huì)發(fā)生變化,從而引起干涉谷漂移。當(dāng)外界環(huán)境折射率變化時(shí),會(huì)引起包層模式的有效折射率變化,從而引起干涉谷漂移。當(dāng)光纖受到拉力時(shí),光纖的長(zhǎng)度和有效折射率都會(huì)發(fā)生變化,從而使得干涉谷漂移。所以,從理論上分析,該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、折射率和拉力這3個(gè)物理量的傳感。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 傳感結(jié)構(gòu)的制作

調(diào)節(jié)熔接機(jī)放電強(qiáng)度為200 bit,放電時(shí)間為 1 300 ms,在兩根單模光纖上分別制作球形結(jié)構(gòu),如圖2所示。調(diào)節(jié)放電強(qiáng)度為100 bit,放電時(shí)間為1 300 ms,將兩個(gè)球與2 cm小芯徑熔接在一起,制作出傳感器。實(shí)驗(yàn)中用的熔接機(jī)是古河FITEL-S177。細(xì)芯光纖用的是長(zhǎng)飛公司生產(chǎn)的,其包層直徑為125 μm,在1 550 nm的中心波處的模場(chǎng)直徑約4.5 μm,纖芯和包層的有效折射率分別是1.445 7是1.437 8。單模光纖包層直徑為125 nm,纖芯直徑為9 nm。實(shí)驗(yàn)中用的光譜儀(OSA)為橫河的YOKOGAWA-AQ6370,精度為0.01 nm。

圖2 顯微鏡下雙球結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 溫度特性實(shí)驗(yàn)

將雙球結(jié)構(gòu)水平拉直固定在恒溫水浴箱TCC(Temperature Controlled Container)內(nèi),如圖 3所示,圖3中BBS為寬帶光源,OSA為光譜儀。保證不受水壓、彎曲、拉力等外界因素的影響,從35 ℃至90 ℃不斷增加恒溫水浴箱的溫度,每5 ℃取樣一次,記錄光譜儀上干涉谷的波長(zhǎng)。

圖3 溫度特性實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示,隨著水溫的升高,光譜儀中顯示波形右移,與理論分析相符。圖4中Dip1在35 ℃時(shí)的波長(zhǎng)為1 541.433 3 nm,90 ℃時(shí)的波長(zhǎng)為1 547.100 0 nm。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,此干涉型傳感器的溫度靈敏度為0.066 5 nm/℃,線性度為0.982,如圖 5所示。隨著溫度的升高,熱光效應(yīng)使有效折射率差增大,熱膨脹效應(yīng)使干涉長(zhǎng)度L增大,由式(3)可知,波谷將向長(zhǎng)波方向漂移。圖4中透射譜隨著溫度升高向長(zhǎng)波方向移動(dòng),與理論分析相符。

圖4 干涉谷隨溫度漂移的透射譜

圖5 溫度靈敏度響應(yīng)曲線

本實(shí)驗(yàn)采用水浴加熱,如果采用其他加熱方式,將進(jìn)一步提高測(cè)量范圍。

2.3 折射率特性實(shí)驗(yàn)

用精準(zhǔn)電子秤和量筒配置濃度分別是0.1、1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25的鹽溶液,溶液濃度與折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 溶液濃度與折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

將傳感結(jié)構(gòu)水平拉直固定在折射率槽RIS(Refractive Index Slot)內(nèi),如圖 6所示,保證不受溫度、拉力、彎曲等外界因素的影響。在折射率槽中依次加入不同折射率(從1.333到1.379)的鹽溶液。更換溶液時(shí),先將鹽溶液用針管吸出,用清水重復(fù)清洗晾干后,再注入新的鹽溶液。記錄下光譜儀上干涉谷的波長(zhǎng)。

圖6 折射率特性實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)中,隨著外界環(huán)境的折射率增大,包層模式的有效折射率變化,從而使干涉谷左移,如圖 7所示。圖7中Dip2在折射率為1.333和1.379的波長(zhǎng)分別是1 551.633 3 nm和1 550 nm。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,該結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度大小為-33.652 nm/RIU,線性度為0.979 2,如圖8所示。隨著溶液折射率的增大,包層模式的有效折射率變化,從而使有效折射率差減小,由式(3)可知,波谷將向短波方向漂移。圖7中透射譜隨折射率增大向短波方向移動(dòng),與理論分析相符。

圖7 干涉峰隨折射率漂移的透射譜

圖8 折射率靈敏響應(yīng)曲線

2.4 應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn)

如圖9所示,將傳感頭拉直粘貼在懸臂梁上,在懸臂梁的自由端懸掛砝碼時(shí),懸臂梁產(chǎn)生彎曲,帶動(dòng)傳感頭形變。在懸臂梁的自由端增加砝碼,從100 g增大到1 000 g,每增加100 g記錄一次數(shù)據(jù)。

圖9 拉力特性實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖10 干涉峰隨拉力變化的透射譜

實(shí)驗(yàn)中,隨著重物質(zhì)量的不斷增加,光纖發(fā)生形變,有效折射率變化,干涉谷左移,如圖10所示。

圖10 中Dip3在拉力為0.98 N和9.8 N時(shí),波長(zhǎng)分別為1 540.400 0 nm和1 536.833 3 nm。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,拉力的靈敏度大小為-0.360 8 nm/N,線性度為0.965 1,如圖11所示。隨著拉力的增加,懸臂梁帶動(dòng)傳感器產(chǎn)生應(yīng)變,隨著拉力的增大,應(yīng)變也增大。彈光效應(yīng)使有效折射率差減小,是主要因素;應(yīng)變使干涉長(zhǎng)度L增大,是次要因素。由式(3)可知,波谷將向短波方向漂移。圖10中透射譜隨拉力增大向短波方向移動(dòng),與理論分析相符。

如果改進(jìn)懸臂梁實(shí)驗(yàn)條件,會(huì)進(jìn)一步增加測(cè)量范圍,該傳感結(jié)構(gòu)在安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

圖11 拉力靈敏度響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)在兩根單模上制作球形結(jié)構(gòu),并在中間熔接細(xì)芯光纖形成MZ干涉結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)對(duì)溫度、折射率和拉力進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此結(jié)構(gòu)對(duì)溫度、折射率、拉力都靈敏,溫度靈敏度、折射率靈敏度、拉力靈敏度分別為0.066 5 nm/℃、-33.652 nm/RIU、-0.360 8 nm/N,且線性度良好。

參考文獻(xiàn):

[1] Esmaeil Mobini,Arash Mafi. Design of a Wavelength-Tunable Optical Tweezer Using a Graded-Index Multimode Optical Fiber[J]. Journal of Lightwave Technology,2017,35(18):3854-3861.

[2] Wo Jianghai,Sun Qizhen,Liu Hai,et al. Sensitivity-Enhanced Fiber Optic Temperature Sensor with Strain Response Suppression[J]. Optical Fiber Technology,2013,19(4):289-292.

[3] Zhao Yong,Zhou Xue,Li Xuegang,et al. Review on the Graphene Based Optical Fiber Chemical and Biological Sensors[J]. Sensors and Actuators,B:Chemical,2016,231:324-340.

[4] Hu Haifeng,Sun Sijia,Lü Riqing,et al. Design and Experiment of an Optical Fiber Micro Bend Sensor for Respiration Monitoring[J]. Sensors and Actuators,A:Physical,2016,251:126-133.

[5] Xiao Hengli,CuiXinlin,LeiWenkai. A Bored Pile Deficiency Detection Method Based on Optical Fiber Temperature Measurement[J]. Optical Fiber Technology,2015,21:1-6.

[6] 邵靖,段力,王強(qiáng),等. MEMS高溫溫度傳感器的研制與測(cè)量精度研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2017,30(9):1352-1358.

[7] 曹曄,趙晨,童崢嶸. 可雙參量同時(shí)測(cè)量的干涉型全光纖傳感器[J]. 光子學(xué)報(bào),2015,44(10):1006102.

[8] Zhang Jun,Gong Huaping,Wang Zhiping,et al. M-Z Optical Fiber Liquid Level Sensor Based on Two Cascaded Spherical-Shape Structures[C]//ICOCN 2016,2016:7875662.

[9] Gong Huaping,YangXiao,Ni Kai,et al. An Optical Fiber Curvature Sensor Based on Two Peanut-Shape Structures Modal Interferometer[J]. IEEE Photonics Technol Lett,2014,26(1):22-24.

[10] Musa B,Roze A A,Noor A S M,et al. Effect of Fiber Profile Parameters on the Transmission Properties of the Tapered Optical Fibers[C]//Conf Proc—IEEE Int Conf Photonics,ICP,2011:6106862.

[11] 曹曄,劉文,趙舜,等. 基于光子晶體光纖和單模光纖錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)的光纖傳感器[J]. 光電子·激光,2015,26(07):1233-1237.

[12] 傅海威,閆旭,李輝棟,等. 基于纖芯失配型馬赫曾德爾光纖折射率和溫度同時(shí)測(cè)量傳感器的研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(11):66-71.

[13] Wang Jixuan,Miao Yinping,Song Binbin,et all.Simultaneous Measurement of Displacement and Temperature Based on Thin-Core Fiber Modal Interferometer[J]. Optics Communications,2015,340:136-140.

[14] 梁明玉,郎婷婷,金嘉俊,等. 基于馬赫-曾德爾干涉的球形結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器[J]. 光電子·激光,2016,27(12):1255-1259.

[15] 周孟暉,董新永,楊菁怡,等. 細(xì)芯光纖M-Z干涉?zhèn)鞲衅鞫鄥?shù)測(cè)量研究[J]. 光電子·激光,2016,27(06):587-592.

[16] Gu Ningning,Zhang Hao,Liu Bo,et al. Magnetic Field Sensor Based on Concatenation of Fiber Peanutand Long-Period Fiber Grating with Resolved Temperature Cross Sensitivity[C]//ICOCN,2016:7875663.

[17] 吳浩偉,應(yīng)朝福,彭保進(jìn),等. 基于薄芯光纖模態(tài)干涉技術(shù)的折射率傳感特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 光子學(xué)報(bào),2011,40(12):1881-1883.