齊躍峰, 賈 翠, 許麗媛, 張 鑫, 叢碧彤, 劉燕燕, 2, 劉雪強, 2

1. 燕山大學信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004 2. 河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北 秦皇島 066004

引 言

基于模式干涉的單模-少模-單模(single mode-few mode-single mode, SFS)結構光纖傳感器因其結構簡單、可靠性強、抗電磁干擾等特性，被廣泛應用于溫度、應變、位移等參數(shù)測量[1]。少模光纖(few mode fiber, FMF)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目介于單模光纖(single mode fiber, SMF)和多模光纖之間，易于實現(xiàn)對傳輸模式的控制與分析，具有有效面積大、模式數(shù)量有限、模式限制能力強等優(yōu)點，在新型傳感領域受到越來越多的關注[2-3]。布拉格光纖光柵作為一種反射型光纖無源器件，其反射帶寬窄、反射率高，在通信及傳感領域應用廣泛。相較于單模光纖布拉格光柵，少模光纖布拉格光柵(few mode fiber Bragg grating, FBG)具有更窄的諧振峰帶寬，大大提高了傳感器的檢測精度，且其傳輸光譜中含有多個不同強度的反射峰，豐富了光纖光柵諧振波長的選擇，使傳感變得更加靈活方便。本文將SFS結構與少模光纖布拉格光柵進行結合，利用少模纖芯中不同模式之間的干涉和耦合進行傳感實驗，結構簡單新穎、易于制備、成本低廉。

溫度作為環(huán)境變化的重要參量，可以直觀地監(jiān)測外界變化，是食品安全、生物測量、環(huán)境監(jiān)測等領域的重要研究對象[4-7]。王潔玉等[8]提出一種單模-多模-單模(single mode-multimode-single mode, SMS)結構與單模長周期光纖光柵(single mode long period fiber grating, SMF-LPFG)級聯(lián)同時測溫度和折射率的傳感器，SMS結構和SMF-LPFG的溫度靈敏度分別為17和60 pm·℃-1。童崢嶸等[9]提出一種多模-單模-多模(multimode-single mode-multimode, MSM)結構與單模光纖布拉格光柵(single mode fiber Bragg grating, SMF-FBG)級聯(lián)的傳感器，MSM結構和SMF-FBG的溫度靈敏度分別為55.2和15.8 pm·℃-1。本文設計的單模-少模光纖布拉格光柵-單模結構的組合傳感器對溫度的多峰值監(jiān)測大大提高了其檢測準確度，且FBG四個諧振峰具有很好的溫度特征一致性，使得傳感器變得更加靈活、方便。

1 傳感原理

圖1是單模-少模光纖布拉格光柵-單模結構組合傳感器的實驗裝置圖，傳感單元由SFS結構干涉儀和FBG組成。光從輸入端沿SMF纖芯向前傳播，在經過第一個SMF與FMF熔接點時，SMF中傳輸?shù)幕ｑ詈线M入FMF，激發(fā)FMF中穩(wěn)定的高階模式，當光波繼續(xù)傳輸至FBG時滿足相位匹配條件的模式之間將會發(fā)生耦合，在干涉光譜范圍內形成諧振峰，隨著光波的繼續(xù)傳輸，不同模式間會產生光程差，在到達第二個SMF與FMF熔接點時，這些模式會重新耦合進入輸出端的SMF纖芯中，發(fā)生模間干涉形成馬赫-曾德爾干涉光譜，通過光譜分析儀得到模式干涉與耦合共同作用后的傳輸光譜。

圖1 實驗裝置圖

發(fā)生干涉后的m級干涉光譜對應的特征波長λm為

(1)

(2)

式中Λ為FBG的周期。當環(huán)境發(fā)生變化時，F(xiàn)MF中纖芯模式有效折射率隨之改變，導致干涉光譜和FBG的波長發(fā)生移動，通過檢測傳輸光譜的波長漂移量達到傳感的目的。由式(1)推出，環(huán)境變化引起的干涉光譜波長漂移量Δλm為

(3)

SFS結構干涉光譜的特征波長λm除了與FMF纖芯模式的有效折射率有關，還與FMF的長度L有關，因此，仿真了FMF長度對干涉光譜的影響如圖2所示。

圖2 FMF長度對干涉光譜的影響

由圖2可以看出，隨著L的增加，干涉光譜變得越來越明顯，自由光譜范圍FSR逐漸減小。由于FBG諧振峰帶寬較窄，為了便于觀察組合傳感器的整體光譜，干涉光譜的FSR不宜過大，最終選擇110 mm的FMF進行傳感實驗。

實驗所用FMF產自長飛光纜有限公司，可穩(wěn)定傳輸LP01，LP11，LP21和LP02四種模式。由模式干涉理論可知，SFS結構的干涉光譜是由FMF中LP01和某一高階模干涉形成。將L設置為110 mm，LP01與不同高階模式之間發(fā)生干涉形成的傳輸光譜如圖3所示，通過與圖2中L為110 mm的干涉光譜進行對比，可確定此SFS結構的干涉光譜是由LP01-LP11干涉形成。

實驗利用相位掩模法刻制FBG，圖4為組合傳感器的傳輸光譜，通過對比分析模式間耦合系數(shù)和諧振波長的大小，可確定此FBG的4個透射譜從左至右依次為LP02-LP02，LP11-LP11，LP01-LP02和LP01-LP01之間耦合形成的。

圖3 LP01與不同高階模式之間的干涉光譜

圖4 組合傳感器的傳輸光譜

2 實驗部分

2.1 溫度傳感實驗

圖5 溫度測量(a)：傳輸光譜；(b)：FBG透射譜

將1 540 nm附近的干涉波谷和FBG的4個諧振峰作為觀測點，得到組合傳感器的溫度響應特性如圖6所示，為了便于表述，將FBG的4個諧振峰從左至右依次簡記為峰1，2，3和4，計算得出干涉光譜的溫度靈敏度為-62.04 pm·℃-1，F(xiàn)BG諧振峰1，2，3和4的溫度靈敏度分別為9.81，10.4，10.87和10.47 pm·℃-1。實驗結果線性度良好，且FBG的4個峰具有很強的溫度傳感一致性，當傳感器用作對其他參數(shù)測量時，可通過計算波長差的方法消除溫度變化對實驗結果的影響。

圖6 溫度響應特性(a)：干涉光譜；(b)：FBG透射譜

2.2 折射率傳感實驗

對于該組合傳感器，由于FMF基模和高階模的能量主要集中在纖芯內，因此傳感器對外界折射率的改變并不敏感。由倏逝波理論可知，減小光纖包層的厚度，可以增加傳輸模式電磁場與外界折射率的相互作用[11]。本實驗采用HF腐蝕法減小包層厚度，F(xiàn)MF包層直徑腐蝕至22 μm的傳感單元顯微圖像如圖7所示。

圖7 腐蝕后的傳感單元顯微圖像

在室溫狀態(tài)下，將蒸餾水和不同濃度的甘油溶液覆蓋于傳感區(qū)，得到不同折射率溶液對應的傳輸光譜如圖8所示，同樣將1540nm附近的波谷和FBG的四個諧振峰作為觀測點，得到傳感器的折射率響應特性如圖9所示?？梢娫趯MF包層腐蝕的前提下，隨著外界折射率的增加，組合傳感器的傳輸光譜并未發(fā)生明顯的移動，靈敏度最大僅為3.933 nm·RIU-1。

圖8 折射率傳感實驗的傳輸光譜

圖9 折射率響應特性(a)：干涉光譜；(b)：FBG透射譜

3 結 論

提出了一種單模-少模光纖布拉格光柵-單模結構的組合式傳感器，對其溫度及折射率傳感特性進行了研究。通過分析其傳輸光譜，確定該組合傳感器的干涉光譜是由LP01-LP11干涉形成，F(xiàn)BG透射譜是由LP02-LP02，LP11-LP11，LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。實驗結果表明，隨著溫度的升高，SFS結構的干涉光譜向短波方向發(fā)生明顯移動，F(xiàn)BG透射譜向長波方向發(fā)生移動，SFS結構和FBG的溫度靈敏度分別為-62.04和10.87 pm·℃-1，線性度良好。在對FMF包層進行腐蝕的前提下，隨著折射率的增加，傳輸光譜并未發(fā)生明顯的移動，最大靈敏度僅為3.933 nm·RIU-1。該傳感器實現(xiàn)了對外界變化進行多峰監(jiān)測，提高了傳感器的準確度，減小實驗過程中出現(xiàn)的偶然誤差，且FBG四個諧振峰具有很強的傳感一致性，使傳感變得更加靈活方便，實際應用和發(fā)展前景良好。