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        基于無(wú)芯-少模-無(wú)芯光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感特性研究

        2022-02-28 12:26:08李永倩
        應(yīng)用光學(xué) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量結(jié)構(gòu)

        張 靜,李永倩

        (華北電力大學(xué) 電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)河北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003)

        引言

        光纖傳感器具有體積小、制作方便、實(shí)時(shí)性、耐腐蝕性、電磁抗擾性和長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于折射率、溫度、氣體濃度、應(yīng)力、液位等環(huán)境參量的測(cè)量[1]。光纖模式干涉儀是一種具有優(yōu)良性能的全光纖干涉器件,廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信等領(lǐng)域。該類型干涉儀需要特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模式的分束和合束,以實(shí)現(xiàn)纖芯模在纖芯中傳輸,包層模在包層傳輸。由于纖芯模和包層模的傳輸路徑不同,導(dǎo)致了纖芯模和包層模產(chǎn)生相位差,從而形成干涉條紋。外界環(huán)境變化對(duì)纖芯模和包層模的影響不同,從而使兩路光相位差發(fā)生改變,導(dǎo)致干涉條紋出現(xiàn)漂移。通過(guò)測(cè)量干涉條紋的漂移量,實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境參量變化的測(cè)量。研究人員提出了各種光纖干涉儀的多種結(jié)構(gòu),如基于錐形光纖的干涉儀[2-3]、花生形結(jié)構(gòu)[4-5]、光纖纖芯直徑不匹配[6-7]和不對(duì)稱結(jié)構(gòu)[8-11]的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach Zehnder interfero- meter,MZI)。

        少模光纖傳感器作為一種新型的光纖傳感器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模式個(gè)數(shù)有限、有效面積大、模式耦合可控等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)得到了研究人員的廣泛關(guān)注。Wang 等人利用FMF 中LP01 模式和LP02 模式的干涉效應(yīng)制作出MZI 干涉儀,實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的分別測(cè)量[12]。張柵等設(shè)計(jì)了一種溫度不敏感的應(yīng)變傳感器[13]。Tong Z等人設(shè)計(jì)了FMF 和球型結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)的新式傳感器,用于溫度和折射率的同時(shí)測(cè)量[14]。

        本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作的MZI,傳感器結(jié)構(gòu)是在無(wú)涂敷的少模光纖兩端熔接2 段無(wú)芯光纖,由于采用的是雙模干涉,傳感器的輸出光譜比多模干涉光譜波形更簡(jiǎn)單穩(wěn)定。選取MZI干涉譜中的2 個(gè)特征波谷作為特征波長(zhǎng),利用特征波長(zhǎng)的漂移測(cè)量液體的溫度。

        1 傳感器的制作及工作原理

        本文設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。2 根作為輸入輸出的SMF 與2 段長(zhǎng)度相同的CLF分別進(jìn)行同軸熔接,CLF 長(zhǎng)度為3 mm,因光纖的模場(chǎng)分布不同,在SMF 與CLF 的熔接點(diǎn)1 和4 產(chǎn)生模式失配,起到激發(fā)和耦合高階模式的作用;在2 段CLF 中熔接一段去掉涂覆層的FMF,組成CLF-FMF-CLF 結(jié)構(gòu)的MZI 型全光纖器件。由模式失配激發(fā)的LP01 與LP11 兩種模式在少模光纖的纖芯中傳輸,其他高階模在包層中傳輸。在第2 段無(wú)芯光纖的作用下LP01 與LP11 兩種模式重新耦合回單模光纖發(fā)生干涉,形成干涉光譜。當(dāng)外界溫度變化時(shí),兩種模式的光程差發(fā)生變化,干涉光譜的干涉波谷發(fā)生漂移,通過(guò)分析干涉光譜諧振波谷的位移,獲得外界環(huán)境溫度的變化。

        圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor structure

        制作的傳感器所用的SMF 是康寧公司生產(chǎn)的SMF-28,纖芯與包層直徑分別為8.2 μm 和125 μm;所用FMF 為長(zhǎng)飛公司生產(chǎn)的兩模光纖,纖芯與包層直徑分別為14 μm 和125 μm;CLF 為長(zhǎng)飛公司生產(chǎn),直徑為125 μm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為防止光纖彎曲,抖動(dòng)對(duì)傳感器溫度測(cè)量性能產(chǎn)生影響,對(duì)制作的傳感器進(jìn)行了封裝,將制作的傳感器放置在開(kāi)槽的石英管中,傳感器兩端采用UV 紫外膠固定,封裝的傳感器如圖2所示。

        圖2 封裝傳感器Fig.2 Packaged sensor

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知,MZI 干涉?zhèn)鞲衅鞯耐干鋸?qiáng)度可以表示為[15]

        式中:Icore和Ih分別為基模和高階模的強(qiáng)度;Δφ為基模與高階模的相位差,可以表示為

        式中:λ0為中心波長(zhǎng);和分別為基模和高階模的有效折射率,為基模與高階模之間的有效折射率差;L是傳感單元的長(zhǎng)度。當(dāng)Δφ為(2m+1)π時(shí)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象極小,第m階 峰值波長(zhǎng)為

        當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí),由(3)式對(duì)溫度求微分可知,溫度的靈敏度為

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。所設(shè)計(jì)的傳感器兩端分別連接放大自發(fā)輻射光源(ASE)和光譜分析儀。傳感器放置在溫度可調(diào)的恒溫設(shè)備中,利用光譜儀對(duì)不同溫度時(shí)的光譜響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。ASE 光源波長(zhǎng)范圍為1 510 nm ~1 590 nm,輸出最大功率為40 mW。光譜分析儀采用Finisar 公司的WaveAnalyzer 1500S,光譜分辨率高達(dá)1.25 pm。實(shí)物如圖4所示。

        圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of experimental system

        圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.4 Experimental system diagram

        根據(jù)文獻(xiàn)可知,所用光纖的熱光系數(shù)比熱膨脹系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明熱光效應(yīng)起主要作用,溫度靈敏度可以簡(jiǎn)化為。隨著溫度的升高,少模光纖中的LP01 模式和LP11 模式的有效折射率都會(huì)增加,但LP01 模式增加較大。折射率差值隨溫度增加變大,ε 隨溫度也增加變大,因此,傳感器的諧振波長(zhǎng)隨溫度變化向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。

        實(shí)驗(yàn)測(cè)量了傳感器在25 ℃~75 ℃溫度范圍內(nèi)傳感器的透射光譜,不同溫度時(shí)的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。隨著溫度的升高,透射譜線的形狀基本保持不變,干涉模式?jīng)]有變化,整體向長(zhǎng)波方向漂移,與理論分析結(jié)果一致。經(jīng)過(guò)計(jì)算,選取溫度靈敏度較大的干涉谷波長(zhǎng) 1 550 nm 和1 534 nm 作為特征波長(zhǎng)進(jìn)行比較,作為傳感器使用時(shí),只選擇其中靈敏度最高的波長(zhǎng)值就可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。將2 個(gè)特征波長(zhǎng)分別與溫度值進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果如圖6所示。由圖6 可知,特征波長(zhǎng)與溫度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,在溫度測(cè)量范圍內(nèi),兩波谷的溫度測(cè)量靈敏度分別為68 pm/℃和44.5 pm/℃。靈敏度差別較大是由于不同波長(zhǎng)處,不同模式的有效折射率差值不同。該傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高,有很好的應(yīng)用前景。

        圖5 不同溫度透射譜Fig.5 Transmission spectrum at different temperatures

        圖6 特征波長(zhǎng)擬合曲線Fig.6 Fitting curves of characteristic wavelength

        傳感器結(jié)構(gòu)和溫度靈敏度與所列參考文獻(xiàn)相比如表1所示。由表1 可知,本文設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度高于文獻(xiàn)[5]、[7]、[8]中設(shè)計(jì)的傳感器,低于文獻(xiàn)[3]中傳感器的靈敏度,但本文設(shè)計(jì)的傳感器采用同軸熔接的方法,比參考文獻(xiàn)[3]中拉錐結(jié)構(gòu)傳感器制作方法簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)穩(wěn)健,可重復(fù)性好。

        表1 不同結(jié)構(gòu)靈敏度比較Table 1 Comparison of sensitivity with different structures

        3 結(jié)論

        本文提出并制作了一種基于無(wú)芯-少模-無(wú)芯結(jié)構(gòu)的溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)了溫度的高精度測(cè)量。利用少模光纖和無(wú)芯光纖的模式失配激發(fā)高階模,基模和高階模在少模光纖中受外界溫度調(diào)制,在輸出端產(chǎn)生干涉譜。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了此方法的可行性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器的特征波長(zhǎng)與溫度呈很好的線性關(guān)系,在測(cè)量溫度范圍內(nèi),溫度測(cè)量靈敏度分別為68 pm/℃和44.5 pm/℃,因此,本文所設(shè)計(jì)的傳感器制作簡(jiǎn)單,靈敏度較高。受恒溫實(shí)驗(yàn)裝置所限,未進(jìn)行較大溫度范圍的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,但傳感器仍有望應(yīng)用于溫度更高的測(cè)量場(chǎng)景。

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