申萬梅,江 超,郭小珊,黃會玲,李 宏

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002)

1 引 言

光纖溫度傳感器由于結(jié)構(gòu)緊湊,靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,損耗低等特點(diǎn)而引起了人們的廣泛研究。常見的光纖干涉儀型溫度傳感器有Mach-Zehnder干涉儀型[1-2],Fabey-Perot干涉儀型[3-4],Michelson干涉儀型[5]和Sagnac干涉儀型[6-8]等,這些溫度傳感器能夠廣泛應(yīng)用于通信傳輸、建筑行業(yè)、航空航天和海洋研究等領(lǐng)域。然而干涉儀型溫度傳感器的靈敏度和線性擬合度會受到光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的限制,靈敏度一般較低。游標(biāo)效應(yīng)(Vernier-effect)是提高測量儀器靈敏度的有效方法,并且廣泛用于游標(biāo)卡尺和氣壓計(jì)中。近年來,人們通過使用兩個(gè)干涉儀分別作為游標(biāo)效應(yīng)的固定和滑動部分應(yīng)用于光纖傳感器中,發(fā)明了具有增強(qiáng)靈敏度的游標(biāo)效應(yīng)光纖傳感器[9-11]。這種游標(biāo)效應(yīng)也可以用于光纖溫度傳感器中,例如,通過兩個(gè)Fabey-Perot干涉儀級聯(lián)構(gòu)成的高靈敏度溫度傳感器[12-15],Mach-Zehnder干涉儀級聯(lián)構(gòu)成的高靈敏度溫度傳感器[16],Michelson干涉儀構(gòu)成的高靈敏度溫度傳感器[17]等。尤其是利用Sagnac干涉儀(SI)構(gòu)成的游標(biāo)效應(yīng)溫度傳感器,獲得的溫度靈敏度更高[18-21],劉等人利用光子晶體光纖SI形成游標(biāo)效應(yīng)獲得極高的溫度靈敏度[18]；楊等人利用一個(gè)SI和一個(gè)F-P腔級聯(lián)獲得極高溫度靈敏度[19]；丁等人利用兩個(gè)高雙折射率的光纖環(huán)級聯(lián)構(gòu)成靈敏度極高的溫度傳感器[20]；邵等人利用兩個(gè)SI級聯(lián)使溫度靈敏度得到極大的提升[21]。本文利用兩段熊貓光纖直接錯(cuò)位連接形成兩個(gè)SI的級聯(lián)產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng),該傳感器的干涉譜有較好的包絡(luò)線,提取的包絡(luò)線光滑平整,利用包絡(luò)線隨溫度的變化進(jìn)行溫度測量。與傳統(tǒng)的單個(gè)SI溫度傳感器相比,兩個(gè)SI級聯(lián)構(gòu)成的傳感器溫度靈敏度提高了十幾倍。提出的傳感器結(jié)構(gòu)簡單,制作容易,成本低,靈敏度高,在市場上有一定的應(yīng)用前景。

2 傳感器結(jié)構(gòu)和傳感原理

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

提出的溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由一個(gè)寬帶光源(broad band source,BBS)、一個(gè)光譜分析儀(optical spectral analyzer,OSA)、一個(gè)3 dB的2×2耦合器、及兩段保偏光纖(PMF)構(gòu)成的SI1和SI2組成。BBS為北京康冠世紀(jì)光電科技有限公司生產(chǎn)的低偏振超寬帶光源,型號為FL-ASE-EB-D-2-2-FC/APC,波長范圍為1250～1650 nm。OSA為日本橫河公司生產(chǎn)的AQ6370D,波長掃描范圍為600～1700 nm,光譜最小分辨率為0.05 nm。這里選擇熊貓光纖作為PMF,依據(jù)兩個(gè)SI級聯(lián)產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng)的條件,在我們設(shè)計(jì)的傳感器中,SI1中PMF1長度取191 cm,SI2中PMF2長度取199 cm,選擇左側(cè)SI1作為傳感單元,右側(cè)SI2作為參考濾波器。當(dāng)兩個(gè)SI級聯(lián)時(shí),在熔接點(diǎn)兩段PMF旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度再熔接,即使兩段PMF中的快軸(或者慢軸)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度再熔接,確保該結(jié)構(gòu)是兩個(gè)不同的SI級聯(lián),而不是構(gòu)成一個(gè)SI。在進(jìn)行溫度測量時(shí),把傳感單元SI1放入溫度爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而參考單元SI2可以不用放入溫度爐中。

圖1 兩個(gè)SI級聯(lián)的傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Sensor structure consisting of two SIs cascading

2.2 傳感原理分析

在圖1中,從BBS輸出的光到達(dá)3 dB耦合器時(shí),將輸入光均等的分為兩個(gè)反向傳播光束,因?yàn)镻MF中存在快軸和慢軸,當(dāng)光通過第一個(gè)PMF1時(shí)產(chǎn)生光程差,再經(jīng)過PMF2又產(chǎn)生光程差,則輸出總光譜T可以表示為[17,18]:

T=[cos(φ1+φ2)cosθ+cos(φ1-φ2)sinθ]2

(1)

其中,φ1=2πBL1/λ,φ2=2πBL2/λ是光經(jīng)過兩個(gè)PMF的相位差；θ表示兩個(gè)PMF快軸(或者慢軸)之間的夾角。則兩個(gè)SI的自由光譜范圍(free spectral range,FSR)可以求得:

(2)

其中,B是PMF的雙折射率;λ是輸入的光波長;L1和L2分別是PMF1和PMF2的長度。那么當(dāng)SI1與SI2級聯(lián)時(shí),如果FSR1≈FSR2,那么SI1與SI2疊加形成的包絡(luò)線的FSR(或周期)可以表示為:

(3)

在實(shí)驗(yàn)中,可以通過控制兩個(gè)SI的長度L來獲得理想的FSR。在傳感器中,SI1被作為傳感部分,SI2被作為固定參考部分,因此當(dāng)外界溫度變化導(dǎo)致傳感部分SI1干涉光譜的波長漂移,由于級聯(lián)的游標(biāo)效應(yīng),將會導(dǎo)致整個(gè)光譜包絡(luò)線產(chǎn)生大的漂移,包絡(luò)漂移的增強(qiáng)因子M可以用下式表示:

(4)

則利用傳感器游標(biāo)效應(yīng)產(chǎn)生的包絡(luò)波長的漂移量是單個(gè)SI1波谷波長漂移量的M倍:

(5)

因此,利用包絡(luò)波長漂移量測量溫度的靈敏度為單個(gè)SI1測量溫度的M倍:ST=MS1。這就是我們利用SI1與SI2級聯(lián)產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng)放大溫度靈敏度的理論基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 傳感器的干涉譜

圖2為常溫下SI1和SI2的干涉光譜圖,在波長范圍1530～1570 nm之間,兩個(gè)SI的干涉譜分布均勻,具有很好的周期性,SI1和SI2對應(yīng)的FSR分別為3.2 nm和3.0 nm,常溫下PMF的雙折射率B為4.0×10-4。

圖2 SI1和SI2的光譜圖Fig.2 The spectrum of SI1 and SI2

圖3為常溫下SI1和SI2級聯(lián)之后形成的傳感器的干涉譜,與傳統(tǒng)的單個(gè)SI的干涉譜相比,級聯(lián)之后的傳感器的干涉譜出現(xiàn)了很好的包絡(luò),這是由于兩個(gè)SI的自由光譜范圍相近。從圖3可以看出,傳感器干涉譜的包絡(luò)線周期約為53.4 nm,與該結(jié)構(gòu)理論計(jì)算得到的包絡(luò)周期(48 nm)相近,基本吻合。

圖3 SI1與SI2級聯(lián)后的傳感器光譜圖Fig.3 The spectrum of the sensor by SI1 cascaded with SI2

3.2 溫度靈敏度

當(dāng)只有單個(gè)SI1時(shí)(不接入SI2),把SI1放入溫度爐中,控制溫度爐的溫度從40 ℃上升到80 ℃,每隔5 ℃記錄一次光譜數(shù)據(jù),在每個(gè)溫度測量點(diǎn),保持5分鐘左右再記錄數(shù)據(jù),確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。圖4表示SI1光譜中波谷dip 1(1549 nm)隨溫度的變化圖,從圖4可以看出,隨著溫度的升高,SI1中dip 1的波長朝著短波長方向移動(藍(lán)移)。圖5為SI1中dip 1的波長與溫度的線性擬合圖,實(shí)驗(yàn)獲得的溫度靈敏度為-1.01 nm/℃,線性擬合度為 0.9916,線性度極高,溫度靈敏度也較高。

圖4 SI1中波谷dip 1隨溫度的漂移Fig.4 The dip 1shifts of the single SI1 with temperature

圖5 dip 1的波長與溫度之間的擬合圖Fig.5 Linear fitting between the dip 1 wavelength and temperature

圖6 傳感器干涉譜的上包絡(luò)隨溫度的漂移圖(50 ℃→55 ℃)Fig.6 The drifts of the upper envelope peak following temperature increasing from 50 ℃ to 55 ℃

圖7 上包絡(luò)波峰波長與溫度之間的線性擬合Fig.7 Linear fitting between the upper envelope peak wavelength and temperature

3.3 溫度測量的重復(fù)性

為了檢驗(yàn)傳感器測量的準(zhǔn)確性和嚴(yán)密性,往往需要進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力。圖8是傳感器兩次溫度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對比圖,每次溫度實(shí)驗(yàn)控制溫度爐的溫度從50 ℃上升到75 ℃,每步溫度上升5 ℃。完成第一次溫度實(shí)驗(yàn)后,間隔10 d,再在相同條件下重復(fù)做第二次升溫實(shí)驗(yàn),從圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清晰的看到:第一次實(shí)驗(yàn)時(shí),溫度靈敏度為11.03 nm/℃,線性擬合度為0.9996；第二次實(shí)驗(yàn)時(shí),靈敏度為10.77 nm/℃,線性擬合度為0.9984。兩次實(shí)驗(yàn)的靈敏度很接近,線性擬合度都極好,隨著溫度的上升,波長呈現(xiàn)極好的線性變化。由此可以說明兩個(gè) SI 級聯(lián)構(gòu)成的傳感結(jié)構(gòu)重復(fù)性好,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

圖8 傳感器兩次溫度實(shí)驗(yàn)的對比圖Fig.8 Comparison diagram of two sensor temperature experiments

3.4 溫度測量的穩(wěn)定性

圖9為傳感器的穩(wěn)定性測試結(jié)果。控制溫度爐的溫度保持在55 ℃不變,設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)間為80 min,每間隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)選擇溫度為55 ℃時(shí),傳感器干涉譜上包絡(luò)波峰波長1552 nm為研究對象,觀察它隨隨時(shí)間變化的漂移情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)外界溫度保持不變時(shí),傳感器考察點(diǎn)的波長和強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定,波長最大波動值為 0.8 nm,利用溫度測量靈敏度可以計(jì)算測量溫度的誤差為0.07 ℃(0.8/11.03=0.07 ℃)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的測量誤差很小,該傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好。

圖9 傳感器的溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 The experiment results of the sensor measuring temperature at 80 min

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于游標(biāo)效應(yīng)的新型溫度傳感器。該傳感器的游標(biāo)效應(yīng)是由兩個(gè)自由光譜范圍相近的SI級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的,選擇SI1作為傳感部分,SI2作為參考濾波部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用級聯(lián)形成的包絡(luò)線來測量溫度,獲得很高的溫度靈敏度(11.03 nm/℃),它比單個(gè)SI1單獨(dú)測量溫度的靈敏度(-1.01 nm/℃)高出10.9倍,說明傳感器對溫度靈敏度有明顯的放大作用。并且該傳感器的溫度重復(fù)性高,穩(wěn)定性好,測量誤差小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析大致一致,它在市場上有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。