劉 理, 吳官權(quán), 漆世鍇, 曾 偉, 毛莉莉

(九江學(xué)院 電子工程學(xué)院，江西 九江 332005)

0 引 言

曲率和溫度是兩個(gè)重要的物理參量，曲率和溫度傳感器已經(jīng)被廣泛的用于結(jié)構(gòu)健康檢測領(lǐng)域[1]。光纖傳感技術(shù)因其具有抗電磁干擾、體積小、耐腐蝕和靈敏度高等特點(diǎn)備受廣大研究學(xué)者青睞。基于布拉格光纖光柵[2]、長周期光柵[3]和傾斜布拉格光纖光柵[4]等生產(chǎn)過程復(fù)雜、制造成本昂貴。另外，基于多模光纖(multi-mode fiber,MMF)[5]、光子晶體光纖[6]、空芯光纖[7]和細(xì)芯光纖[8]的，利用這些特種光纖與SMF熔接激發(fā)包層模式并與纖芯模式耦合干涉形成光纖模式干涉儀，但其靈敏度和條紋對比度還比較低。研究表明可通過拉錐的方式提高光纖模式干涉儀的靈敏度[9,10]，但這類型傳感器溫度和曲率之間有比較大的串?dāng)_。

本文對傳統(tǒng)的基于多?！獑文！嗄９饫w結(jié)構(gòu)的模式干涉儀進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過檢測干涉谷值波長和功率變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溫度和曲率的高靈敏測量，溫度靈敏度為71.42 pm/℃，曲率靈敏度高達(dá)141.63 dB/m-1，溫度對曲率的串?dāng)_幾乎為0。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

本文首先采用單?！嗄！獑文！嗄！獑文９饫w熔接的方式形成模式干涉儀，如圖1所示。MMF的纖芯和包層直徑分別為105 μm和125 μm，SMF的纖芯和包層直徑分別為9 μm和125 μm。由于多模和單模的芯徑不匹配，光會(huì)從MMF1的纖芯耦合至SMF2的包層中，SMF2的纖芯模和包層模可通過MMF2耦合至SMF3中，形成模式干涉儀，最后的干涉譜輸出強(qiáng)度為[11]

(1)

式中Ico和Icl分別為傳輸光在纖芯和包層中的光強(qiáng)，Δneff=nco-ncl為纖芯和包層的有效折射率之差，l為SMF2的長度。干涉譜谷值對應(yīng)波長為

(2)

式中k為正整數(shù)。

圖1 MMF-SMF-MMF結(jié)構(gòu)

當(dāng)外界環(huán)境溫度不變時(shí)，傳感器曲率發(fā)生變化時(shí)，SMS2外部包層受到擠壓和拉伸，而纖芯受到的擠壓基本可以忽略不計(jì)，從而導(dǎo)致模式干涉儀的Δneff將會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致透射譜的谷值波長λdip將發(fā)生漂移。同時(shí)光纖彎曲時(shí)，包層能量損耗急劇增加，干涉譜的條紋消光比也將發(fā)生變化。因此，傳感器可以通過檢測干涉谷值波長和谷值功率來實(shí)時(shí)監(jiān)測外界曲率。

當(dāng)外界環(huán)境保持曲率不變，而溫度發(fā)生變化時(shí)，因SMS2的纖芯和包層的熱光系數(shù)不一樣，干涉儀的Δneff也將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致透射譜的λdip發(fā)生漂移，但纖芯模和包層模的能量基本不會(huì)發(fā)生變化，干涉條紋消光比基本保持不變。

設(shè)光纖模式干涉儀谷值波長的漂移量為

Δλdip=k1C+k2T

(3)

式中k1和k2分別為干涉谷值波長對曲率C和溫度T的靈敏度

ΔE=k3C+k4T

(4)

式中k3和k4分別為干涉谷值功率對曲率C和溫度T的靈敏度。聯(lián)立式(3)和式(4)可知

(5)

因此,曲率和溫度的同時(shí)測量可通過檢測模式干涉儀某一谷值波長和功率的變化來實(shí)現(xiàn)。

可通過提高條紋對比度和激發(fā)高階包層模式來提高傳感器的靈敏度，因?yàn)榘鼘幽５碾A數(shù)越高，熱光系數(shù)越大，傳感器的溫度靈敏度越大[12]；消光比越大，光纖彎曲時(shí)，條紋對比變化越明顯，谷值功率變化范圍越大，曲率測量范圍也將越大。為了達(dá)到增敏的目的，本文首先將圖1所示結(jié)構(gòu)的MMF長度設(shè)置為半自聚焦長度，再將SMF2進(jìn)行了拉錐處理。

通過BMP軟件仿真可知，當(dāng)單模—多?！獑文９饫w(single modal-multimodal-single modal,SMS)結(jié)構(gòu)中，MMF很長時(shí)，MMF中激發(fā)的模式會(huì)相互干涉耦合，每隔1.1 cm就會(huì)自聚焦一次，軸心的能量達(dá)到最大值，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)自聚焦點(diǎn)中間點(diǎn)位置處光斑卻是圓環(huán)狀、軸心的能量為0，圓環(huán)的內(nèi)半徑大于SMF纖芯半徑，如圖2(b)所示。當(dāng)MMF長度為自聚焦長度1/2時(shí)，MMF的光能將全部耦合至SMF的包層中，SMF纖芯能量基本為0，如圖2(a)所示。本文正是利用SMS結(jié)構(gòu)的此種特性，首先將MMF長度設(shè)置為5.5 mm，這樣可以有效激發(fā)高階包層模式，增加高階包層模量能量分配。

圖2 BPM仿真SMS結(jié)構(gòu)光場分布

通過氫氧焰和電動(dòng)位移平臺對SMF2進(jìn)行熔融拉錐，進(jìn)一步激發(fā)高階包層模式，并合理設(shè)置錐長，達(dá)到控制包層模的傳播損耗目的，使SMF2纖芯模和包層模的能量基本一致，提高干涉儀的條紋對比度，如圖3(a)所示。初始SMF2的長度為5 mm，傳感器的透射譜如圖3(b)中帶空心圓曲線所示，因?yàn)榘鼘幽Ｄ芰窟€比較高，消光比較小。在SMF2拉錐過程中，通過光譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器的透射譜，當(dāng)拉錐長度為10 mm時(shí)停止拉錐，光纖錐的錐腰直徑最小為50 μm。此時(shí)模式干涉儀的消光比最高可達(dá)40 dB，如圖3(b)帶實(shí)心框曲線所示。

圖3 傳感器制作原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖4 曲率測量方案

兩個(gè)夾具的初始距離為22.5 cm，通過調(diào)節(jié)位移平臺使兩者距離逐漸靠近，每次調(diào)節(jié)距離為10 μm。從圖5(a)可以看出：隨著夾具距離的靠近，干涉儀的透射譜消光比逐漸減小，干涉谷值(dip2)功率逐漸增加，這主要是由部分包層模式輻射至光纖外造成的?？赏ㄟ^多項(xiàng)式擬合出谷值功率與曲率之間關(guān)系，如圖5(b)帶實(shí)心方框曲線所示。曲率在0.324 6～0.615 9范圍內(nèi)，谷值功率呈拋物線變化。當(dāng)曲率變化在0.324 6～0.459 0范圍內(nèi)時(shí)，dip2的功率和曲率之間近似成線性關(guān)系，線性度為0.944 3，在此范圍內(nèi)曲率靈敏度高達(dá)141.63 dB/m-1，如圖5(b)帶實(shí)心圓點(diǎn)曲線所示；同時(shí)彎曲時(shí)dip2對應(yīng)的波長也會(huì)發(fā)生漂移，dip2波長對曲率的靈敏度為4.7 nm/m-1，如圖5(b)帶空心方框曲線所示。

圖5 傳感器的曲率響應(yīng)

為了測量傳感器的溫度特性，保持干涉儀處于平直狀態(tài)，并將其放置在水浴鍋中，控制驅(qū)動(dòng)電壓，使溫度從35 ℃變化到65 ℃，干涉儀的透射譜變化如圖6(a)所示。由于包層模的熱光系數(shù)大于纖芯的，當(dāng)溫度增加時(shí)，纖芯與包層有效折射率差變大，dip2的波長發(fā)生了明顯的紅移，而功率基本沒有變化。通過線性擬合，可以看出dip2的波長與溫度呈線性關(guān)系，干涉儀dip2波長的溫度靈敏度為71.43 pm/℃，如圖6(b)所示。

圖6 傳感器的溫度響應(yīng)

通過上述實(shí)驗(yàn)測量的靈敏度數(shù)據(jù)，并結(jié)合式(5)可以得到曲率和溫度的計(jì)算公式為

(7)

傳感器的分辨率受限于光譜儀的分辨率，實(shí)驗(yàn)采用的光譜儀型號Yokogawa AQ6370D。頻率分辨率為20 pm，功率分辨率為0.001 dBm。由式(7)計(jì)算可知傳感器的曲率和溫度分辨率分別為7.061×10-6m-1和0.28 ℃。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:干涉儀的消光比最高可達(dá)40 dB，所提出的傳感器的曲率靈敏度高達(dá)141.63 dB/m-1，溫度靈敏度可達(dá)71.43 pm/℃，并且溫度對曲率的串?dāng)_幾乎為0，曲率和溫度分辨率分別為7.061×10-6m-1和0.28 ℃。因其制作簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，靈敏度高等特點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測領(lǐng)域。