李懷寶， 李 紅， 宋言明， 祝連慶,， 婁小平

(1.北京信息科技大學(xué) 光電信息與儀器北京市工程研究中心，北京 100016； 2.北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

0 引 言

近年來(lái)，光纖傳感器在檢測(cè)溫度、壓力、曲率、折射率等物理量以及生化測(cè)量領(lǐng)域受到越來(lái)越多的研究人員的關(guān)注[1]。馬赫—曾德爾(Mach-Zehnder,MZ)干涉型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、易于制作、靈敏度高、傳感波長(zhǎng)范圍大的特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)是國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的重點(diǎn)方向[4，5]。相比于空間光路、波導(dǎo)耦合或光纖耦合器級(jí)聯(lián)的MZ干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)，集成一體化的全光纖干涉器件更加便捷，并且易于制造。

近年來(lái)，光纖模式干涉所形成的MZI成為研究熱點(diǎn)，這種MZI中形成干涉的兩路光對(duì)應(yīng)著光纖內(nèi)兩個(gè)不同的傳輸模式。對(duì)于普通的單模光纖來(lái)說(shuō)，一般只有基模一種傳輸模式，研究人員通過(guò)錯(cuò)位熔接[6]、拉錐[7]、非單模光纖熔接[8，9]、燒制花生結(jié)構(gòu)[10]等方法將基模能量耦合到包層模式中，實(shí)現(xiàn)MZ干涉，并利用其特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)某些物理量的測(cè)量。

隨著光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝的發(fā)展，七芯光纖不僅應(yīng)用于光纖通信，因其具有干涉條件好，靈敏度高的特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者用于傳感領(lǐng)域。其中， Salceda-Delgado G[11]提出基于七芯的干涉結(jié)構(gòu)用于曲率傳感/監(jiān)測(cè)，以七芯光纖為基礎(chǔ)搭建了“單?！咝尽獑文！毙蚆Z干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)靈敏度強(qiáng)，但波長(zhǎng)漂移和曲率變化的線性關(guān)系在曲率較小時(shí),表現(xiàn)得并不明顯。May-Arrioja D A等人[12]提出了一種基于七芯光纖的腐蝕多芯MZ結(jié)構(gòu)測(cè)曲率傳感器，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但腐蝕過(guò)程影響因素復(fù)雜，需要精確控制。周松等人[13]提出“單?！嗄！咝尽嗄！獑文！睖囟葌鞲薪Y(jié)構(gòu)，可精確測(cè)量800℃的測(cè)試溫度，靈敏度和測(cè)量范圍相較于傳統(tǒng)的傳感器有了很大提高，但需要合理控制多模光纖的熔接參數(shù)，對(duì)加工過(guò)程要求較高。

本文提出一種七芯光纖與光纖熔球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)相結(jié)合的MZI干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)，并利用其光譜特性實(shí)現(xiàn)溫度、曲率等參量的監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

基于七芯光纖(seven cores fiber,SCF)和光纖熔球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的全光纖MZI傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。先將單模光纖(single mode fiber,SMF)利用CO2激光熔接工作站(Fujikura,LZM100)在一端熔接成球形結(jié)構(gòu)，再將一定長(zhǎng)度的七芯光纖分別與帶有球形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)單模光纖熔接成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，形成“SMF-ball-SCF-ball-SMF”的光纖波導(dǎo)，如圖1(a)所示。

分別對(duì)單模光纖和七芯光纖的截面模場(chǎng)進(jìn)行仿真分析得到2種光纖的模式分布如圖1(b)所示。七芯光纖的纖芯由一根中心纖芯和呈正六邊形距中心纖芯35 μm的6根外圍纖芯組組成，從仿真結(jié)果可以看出，光在光纖波導(dǎo)傳播的主要能量集中在纖芯中。其工作原理為：寬譜光進(jìn)入單模光纖，以光纖基模形式傳輸，經(jīng)過(guò)第一個(gè)光纖球時(shí)，激發(fā)效率提高，在突變處，一部分纖芯模式被激發(fā)到包層中形成包層模式，沿包層繼續(xù)傳輸，另一部分沿著七芯光纖的纖芯繼續(xù)傳播，到達(dá)第二個(gè)光纖球結(jié)構(gòu)時(shí)，耦合效率顯著提高，將包層模式再次耦合進(jìn)纖芯，與纖芯模式發(fā)生干涉，形成MZ干涉。該結(jié)構(gòu)的干涉效應(yīng)透射光譜波谷波長(zhǎng)λm為[8]

式中 Δneff為纖芯模式和m階包層模式的有效折射率差，L為干涉儀的長(zhǎng)度，N表示透射譜處于波谷時(shí)相位差的系數(shù)。

圖1 傳感結(jié)構(gòu)及光傳播示意

為了驗(yàn)證本文所提出的熔球結(jié)構(gòu)對(duì)光在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)和耦合效率的影響，利用有限差分光束傳播法(finite difference beam propagation method,FD-BPM)對(duì)文獻(xiàn)[11]提出的“SMF-SCF-SMF”的干涉結(jié)構(gòu)和本文提出的“SMF-ball-SCF-ball-SMF”結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)比，研究燒球結(jié)構(gòu)與七芯光纖形成的內(nèi)部光傳輸過(guò)程，分析燒球結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)分布和光干涉效率的影響。傳感器結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

設(shè)置自由空間波長(zhǎng)為1 550 nm，單模光纖纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm，光纖球結(jié)構(gòu)的直徑為180 μm；多芯光纖纖芯直徑分別為6 μm，外圍6個(gè)纖芯于中心之間的距離為35 nm，纖芯成正六邊形圍繞在中心纖芯，包層直徑125 μm，長(zhǎng)度9 mm；單模和多芯光纖的纖芯折射率為1.450 2，包層折射率為1.445。設(shè)置求解域?yàn)閄(-62.5,62.5)，Y(-62.5,62.5)，Z(0,25 000)，分別對(duì)有燒球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)和直接熔接七芯無(wú)光纖球結(jié)構(gòu)進(jìn)行光纖模場(chǎng)能量計(jì)算，模場(chǎng)能量分布結(jié)果如圖2所示。

圖2 光纖內(nèi)部干涉光場(chǎng)分布

對(duì)比兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的模場(chǎng)能量仿真圖可知，寬譜光在到達(dá)第一個(gè)熔球結(jié)構(gòu)時(shí)，熔球的光纖激發(fā)到包層的模場(chǎng)能量相較于直接熔接的要高很多，這說(shuō)明光經(jīng)過(guò)熔球結(jié)構(gòu)時(shí)增大了激發(fā)效率。光穿過(guò)熔球后大部分繼續(xù)沿著纖芯傳播，被激發(fā)到包層的模式在包層中傳播。到達(dá)第二個(gè)熔球結(jié)構(gòu)處可以看出，直接熔接無(wú)燒球結(jié)構(gòu)中有光耦合到纖芯發(fā)生干涉，但耦合效率較低對(duì)纖芯光的模場(chǎng)能量影響不大；熔球熔接的結(jié)構(gòu)在熔球處耦合進(jìn)入纖芯，纖芯的模場(chǎng)能量明顯降低，從而說(shuō)明第二個(gè)熔球結(jié)構(gòu)將耦合效率明顯提升。

為了進(jìn)一步分析傳輸光經(jīng)過(guò)本文所設(shè)計(jì)的光纖MZ干涉結(jié)構(gòu)參與的模式類型，利用寬譜光源和光譜儀采集該干涉結(jié)構(gòu)的透射譜如圖3所示。

圖3 初始干涉譜.

從透射譜可以看出：寬譜光經(jīng)過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生的MZ效應(yīng)出現(xiàn)波峰—波谷干涉譜，在1 550 nm波長(zhǎng)處干涉效應(yīng)最明顯，干涉深度達(dá)到約25 dB，對(duì)初始干涉譜進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)，如圖4所示。從傅里葉變換計(jì)算結(jié)果可以看出，靠近零點(diǎn)處峰值強(qiáng)度最大，該處主導(dǎo)模式為纖芯模式，且纖芯模式波峰強(qiáng)度最大。隨著頻率的增大，峰值呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明高階包層模不易被激發(fā)。除了零點(diǎn)峰值以外，其他峰表示參與干涉的各階包層模。

圖4 干涉結(jié)構(gòu)透射譜FFT空間頻譜

2 傳感器特性實(shí)驗(yàn)

2.1 溫度響應(yīng)

將傳感器結(jié)構(gòu)固定在加熱板上，連接寬譜光源和光譜儀構(gòu)成溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，溫度從室溫(20 ℃)加熱到95 ℃，其中每間隔5 ℃記錄一次波長(zhǎng)變化，共記錄14組數(shù)據(jù)，續(xù)觀測(cè)的透射譜如圖6所示。從理論分析式(2)中可看出:波谷漂移量與溫度變化量成正比，干涉波谷的波長(zhǎng)隨著溫度的升高向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移。溫度—波長(zhǎng)公式如下[14]

式中m為衰減峰值階數(shù)，L為七芯光纖長(zhǎng)度，K為溫度和波長(zhǎng)變化的關(guān)系的系數(shù)。

圖6 不同溫度下的透射譜

從圖6可以看出：隨著溫度的升高，MZI傳感結(jié)構(gòu)的干涉譜波谷向波長(zhǎng)增加的方向增加，具有明顯的正相關(guān)性，且溫度對(duì)干涉譜波谷的強(qiáng)度影響不大，為了得到本文所提出的傳感結(jié)構(gòu)的具體性能，對(duì)獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步尋峰處理。

波谷處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合—尋峰處理后，將波谷波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的溫度進(jìn)行線性擬合，獲得的溫度—波長(zhǎng)漂移關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 溫度與中心波長(zhǎng)變化關(guān)系

由圖7可以看出：隨著溫度升高，20～95 ℃溫度測(cè)量范圍內(nèi)，波谷的波長(zhǎng)線性增加，線性度為0.996 22，從擬合的直線可得溫度的靈敏度系數(shù)為58.97 pm/℃。

2.2 曲率響應(yīng)

將傳感器結(jié)構(gòu)放在微分旋鈕結(jié)構(gòu)中，連接寬帶光源和光譜儀構(gòu)成曲率監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8所示。

寬譜光經(jīng)單模光纖到達(dá)旋鈕裝置，其中，MZI位于兩固定支架中心位置，傳感結(jié)構(gòu)兩端固定在兩個(gè)一維位移平臺(tái)上，通過(guò)微分位移旋鈕改變曲率結(jié)構(gòu)的間距，從而實(shí)現(xiàn)曲率變化。曲率的計(jì)算公式[15,16]為

圖8 曲率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

式中R為光纖彎曲的曲率半徑，光纖處于拉直狀態(tài)時(shí)，微位移平臺(tái)的螺旋微分頭的刻度尺位置為初始位置，此時(shí)光纖夾具間距離為L(zhǎng)0，實(shí)驗(yàn)中L0=423.0 mm；x為微位移平臺(tái)相對(duì)于初始位置向前移動(dòng)的距離，即光的應(yīng)變，導(dǎo)致Δneff發(fā)生變化，最終導(dǎo)致波長(zhǎng)漂移，產(chǎn)生的應(yīng)變可表示為

式中d為光纖的直徑，R為曲率半徑，彎曲后的折射率差Δneff為

不同曲率條件下的光譜圖如圖9所示。

圖9 不同曲率下透射譜

在光譜圖中，譜線對(duì)應(yīng)的曲率從左到右依次降低，直到曲率降低到0停止。從透射譜光譜圖可以看出：在曲率為0時(shí)，輸出的光譜明顯并不符合光譜漂移的理論推導(dǎo)，這是因?yàn)榍蕿?時(shí)光纖處于被拉伸狀態(tài)，測(cè)試結(jié)構(gòu)中存在預(yù)緊力導(dǎo)致其光譜發(fā)生漂移，從而形成較大的波長(zhǎng)偏移與實(shí)際曲率特性不符合。在對(duì)曲率特性數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合時(shí)，應(yīng)當(dāng)剔除該點(diǎn)。對(duì)光譜圖數(shù)據(jù)尋峰處理后，獲得波谷的波長(zhǎng)值，然后對(duì)該波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的曲率進(jìn)行擬合，獲得的波長(zhǎng)漂移量與曲率的關(guān)系如圖10所示。

圖10 曲率與中心波長(zhǎng)變化關(guān)系

由圖10可以看出：0～1 m-1曲率測(cè)量范圍內(nèi)，隨著曲率增加，波谷的波長(zhǎng)線性減少，線性擬合度為0.99673，對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到曲率的靈敏度系數(shù)為2.55 nm/m-1。

3 結(jié) 論

本文提出了一種通過(guò)將一根七芯光纖與兩根普通單模光纖通過(guò)熔球的方式形成MZI型全光纖傳感器，光纖球結(jié)構(gòu)可以將單模光纖的纖芯模式激發(fā)到包層，并在七芯光纖中傳輸?shù)竭_(dá)第二個(gè)熔球結(jié)構(gòu)時(shí)，纖芯模式被再次耦合到第二根單模光纖中與纖芯模式發(fā)生干涉形成MZI。通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)的光束傳播模式仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使得MZI干涉光程發(fā)生改變的外界環(huán)境會(huì)引起輸出光強(qiáng)度變化和光譜漂移，干涉波谷的漂移與溫度和曲率的變化成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和波曲率的傳感監(jiān)測(cè)。傳感器對(duì)溫度和曲率的靈敏度分別為58.97 pm/℃和2.55 nm/m-1，相較于其他同類MZI結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，該結(jié)構(gòu)的制作工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，可靠性高。