楊其鋒， 陳曉宇， 吳慶玲

（河南工學(xué)院a.電子信息工程學(xué)院；b.新鄉(xiāng)市嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心；c.圖書館，河南新鄉(xiāng)453003）

0 引 言

目前，光纖傳感器已廣泛運(yùn)用于軍隊(duì)、工農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)院行業(yè)及科技發(fā)展等行業(yè)，并且扮演著非常重要的角色［1-2］。尤其近些年來，越來越多用于測量應(yīng)力與折射率的光纖傳感器均已問世，如基于光柵的光纖傳感器、基于光子晶體的光纖傳感器（PCF）［5-6］、基于邁克耳孫光纖干涉儀［7］及其他基于微結(jié)構(gòu)的光纖傳感器［8-9］。Tabassum等［10］研制了基于光子晶體的應(yīng)變傳感器，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，其對外界發(fā)生的應(yīng)變感知靈敏度為3.02 pm/με；左路路等［11］基于雙芯光纖研究了用于測量溫度與應(yīng)力的全光纖型傳感系統(tǒng)，經(jīng)過測量，其靈敏度可達(dá)1.25 pm/με；Netsuwan［12］基于大直徑光纖錐研究出以干涉儀作為濾波器的應(yīng)力傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在波長1 557 nm附近，其研制的傳感器敏感度可達(dá)3 pm/με；2014年，Wang［13］以RIU為單位折射率設(shè)計(jì)并制作了多模光纖傳感器，經(jīng)過測量其靈敏度為32.2 nm/RIU；譚躍剛等［14］以化學(xué)腐蝕為方法研制了靈敏度可達(dá)216.21 dB/RIU的液體折射率傳感器；后來Shen等［15］又研制出了基于Bragg光柵且折射率靈敏度可達(dá)14.41 nm/RIU的光纖傳感器。但是以上這些傳感器的制作工藝非常復(fù)雜、靈敏度一般且費(fèi)用較高，不適合大批量生產(chǎn)。

基于以上分析，本文以MZI為基本原理，偏芯熔接為構(gòu)造方法，光纖包層模和纖芯模對應(yīng)力、折射率的敏感特性為機(jī)理，研制了可用于測量應(yīng)力和折射率的新型光纖傳感器。當(dāng)外界施加不同的應(yīng)力及測量不同濃度的甘油水時(shí)，傳感器干涉光譜的波長都靠近短波移動，應(yīng)力和折射率的靈敏度分別為7.00 pm/με和55.223 nm/RIU。

1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

本文研究的用于應(yīng)力和折射率測量的新型光纖傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。其由3段型號為SMF-28e（SMF）的單模光纖組成，其中光纖的纖芯直徑8.2 μm，包層直徑125μm，可通過偏芯熔接的方法實(shí)現(xiàn)模間干涉。光信號傳輸方式為：首先光信號從最左邊SMF的纖芯進(jìn)入，然后激發(fā)的部分纖芯模經(jīng)過SMF1的纖芯傳輸至最右邊的SMF，而其他纖芯模進(jìn)入包層進(jìn)行耦合后激發(fā)出包層模。當(dāng)所有模式傳輸至熔接點(diǎn)A2時(shí)，纖芯模不但相互耦合還與包層模耦合，這就導(dǎo)致所有的能量重新分配后引起干涉谷的生成。盡管許多的模式在SMF1包層中被激發(fā)，但包層模具有主次要之分，處于主要位的包層模與纖芯模發(fā)生干涉后產(chǎn)生干涉光譜；處于次要的包層模也會和纖芯模發(fā)生干涉，但這種干涉不會產(chǎn)生光譜，其只對產(chǎn)生的光譜進(jìn)行有效的調(diào)制。

圖1 新型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及光信號傳輸方式

光纖SMF1的輸出端總光強(qiáng)，

式中，I1代表SMF1中纖芯的光強(qiáng)；I2代表SMF1中包層的光強(qiáng)；Δn代表兩者的有效折射率差；中心波長用λ表示，當(dāng)傳輸譜中的信號幅度為最小值時(shí)，其對應(yīng)的位置滿足π的奇數(shù)倍，即

可得相鄰波谷的波長，

由式（3）可得，光纖的長度、中心波長及纖芯與包層的有效折射率差同時(shí)對濾波器相鄰波谷的波長間隔有一定的影響。

SMF1的長度會隨受到的應(yīng)力產(chǎn)生細(xì)小的變化。由于純石英構(gòu)成包層的彈光系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摻鍺石英纖芯的彈光系數(shù)，這就導(dǎo)致兩者之間的有效折射率差大大減小，同時(shí)會對傳輸譜線造成一定的影響。輸出波長的變化量在溫度不變時(shí)可用下式表示［16］：

式中：ν和pe分別代表光纖的泊松系數(shù)與有效彈光系數(shù)；ε代表其單位長度的形變量。從式（4）可得，透射光譜曲線在存在軸向應(yīng)力的情況下沿著短波移動。

SMF1的包層與其周圍環(huán)境的折射率成正比關(guān)系，但纖芯具備相對較小的直徑，使其不會隨著外界環(huán)境折射率的變化而變化。對式（2）的折射率求導(dǎo)后可得：

式中：?Δn/?n＜0，所以?λ/?n＜0，這就很好地解釋了為什么環(huán)境折射率增加時(shí)，傳感器譜線干涉谷處的波長會沿著短波方向移動。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想及理論推導(dǎo)，本文設(shè)計(jì)的傳感器測試系統(tǒng)如圖2所示，主要包括寬譜光源（BBS，KOHERAS，Super Kuersa）、傳感器、測試平臺以及光譜分析儀（OSA，YOKOGAWA，AQ6375）。

圖2 設(shè)計(jì)的光纖傳感器的測試系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，為了確定光纖纖芯偏移量和干涉消光比的關(guān)系，制備了一批長度和偏移量均各異的偏芯光纖濾波器。如圖3所示，當(dāng)SMF1長度一定時(shí)，干涉達(dá)到最大所對應(yīng)的偏移量為6μm，這時(shí)具有最明顯的干涉現(xiàn)象。以1 545 nm左右兩個(gè)透射波谷為參考點(diǎn)，對不同長度SMF1的光譜（FSR）進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，SMF1長度L越長，自由光譜（FSR）的值越小，也就是說，1/L越大，F(xiàn)SR值也越大，兩者呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方達(dá)到了0.983 4，具有非常好的擬合效果，且與上節(jié)的理論推導(dǎo)結(jié)果一致。值得注意地是，SMF1不宜過長和過短，因?yàn)檫^長會導(dǎo)致較大的損耗；過短會導(dǎo)致FSR太寬影響測試結(jié)果。因此，綜合考慮，最后設(shè)計(jì)的偏芯熔接光纖的偏移量dco=6μm，長度為L=4 cm。

圖3 SMF1纖芯偏移量與消光比的關(guān)系

圖4 光纖傳感器FSR與L-1的關(guān)系

制作的光纖傳感器如圖5所示，將傳感器放置于室內(nèi)一段時(shí)間，其產(chǎn)生的近紅外透射光譜如圖6所示。從圖中可以看出，本文制作的傳感器具有較好的干涉消光與FSR，且基本不存在損耗。分別選取1 570和1 585 nm附近的波谷對傳感器的應(yīng)力和折射率特性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)中的可移動平臺溫度不變，始終保持20℃，然后應(yīng)力從0開始增加，每次增加的步進(jìn)為100με，增加至500με停止。

圖5 光纖傳感器樣品

圖6 光纖傳感器近紅外透射光譜圖

光纖傳感器透射光譜波峰/波谷隨著應(yīng)力的增加沿著短波方向偏移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，在應(yīng)力增加的范圍內(nèi)，波長約偏移了3.5 nm，和上節(jié)理論分析中的式（3）、（4）結(jié)果吻合。經(jīng)過多次重復(fù)測試后發(fā)現(xiàn)，本文研制的傳感器具備良好的應(yīng)力響應(yīng)特性。1 585 nm附近的波谷隨著應(yīng)力變化而發(fā)生的曲線變化如圖8所示。本文研制的傳感器的應(yīng)力靈敏度更高，可達(dá)7.00 pm/με。除此之外，波谷波長的偏移量與應(yīng)力的線性良好，其相關(guān)系數(shù)平方達(dá)到了0.997 7，

圖7 光纖傳感器應(yīng)力透射圖

圖8 特征波長干涉谷與應(yīng)力的關(guān)系

具有非常好的擬合效果。

配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0%～50%的甘油水溶液對本文研制的光纖傳感器的折射率進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)溫度不變時(shí)，甘油水溶液的折射率與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系，0%～50%的溶液對應(yīng)的折射率為1.331～1.398 RIU。

當(dāng)溫度不變時(shí)，使光線傳感器放置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、20%、30%、40%和50%的甘油水溶液一段時(shí)間，其產(chǎn)生的透射光譜如圖9所示。從圖中可以得出：光線傳感器的光譜曲線隨著溶液折射率的增大而向短波長方向偏移，這與上節(jié)的理論分析所得到的結(jié)果相同。當(dāng)折射率為1.332～1.398 RIU時(shí)，波長總共偏移了3.7 nm，由此計(jì)算得出的傳感器的折射率靈敏度為55.223 nm/RIU。用品質(zhì)因子δ（FOM）對折射率傳感器的整體性能進(jìn)行了分析與評價(jià)，δ=S/?1/2代表FOM的定義，其中?1/2和S分別代表光傳感器的透射譜半峰全寬和靈敏度，其δ值達(dá)到了10.85 RIU-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他光纖傳感器的品質(zhì)因子。折射率發(fā)生改變時(shí)，干涉谷的波長變化如圖10所示，其線性擬合曲線相關(guān)系數(shù)的平方可達(dá)0.996 2，具有非常好的擬合效果。

圖9 傳感器在不同折射率溶液中的光譜圖

圖10 特征波長干涉谷與折射率的關(guān)系

3 結(jié) 語

本文以MZI為基本原理，設(shè)計(jì)并制作了新型的具有高靈敏度的單模光纖偏芯結(jié)構(gòu)光纖傳感器。然后以1 585和1 570 nm兩處的干涉谷為例對傳感器的應(yīng)力和折射率進(jìn)行了測量與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文研制的傳感器的干涉谷的波長變化和應(yīng)力、折射率存在非常好的線性關(guān)系，當(dāng)施加的應(yīng)力為0～500με時(shí)，其透射光譜隨著應(yīng)力的增加向短波方向偏移，經(jīng)過計(jì)算測量的應(yīng)力靈敏度可達(dá)7.00 pm/με。當(dāng)折射率為1.332～1.398 RIU時(shí)，傳感器的透射光譜隨著溶液折射率的增大而向短波長方向偏移，經(jīng)過計(jì)算得出的傳感器的折射率靈敏度為55.223 nm/RIU。本文設(shè)計(jì)和制作的光纖傳感器不僅結(jié)構(gòu)非常簡單，而且具備小體積和高靈敏度的特點(diǎn)，在工業(yè)學(xué)及軍事應(yīng)用方面，尤其對探地雷達(dá)在檢測應(yīng)用方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。