基于单纤拉锥M-Z干涉仪的折射率传感器

丁祥霞，董兴法，吕正兵，姜 莉，吴 婧

（苏州科技大学光电与信息技术研究所，江苏苏州 215009）

基于单纤拉锥M-Z干涉仪的折射率传感器

丁祥霞，董兴法，吕正兵，姜 莉，吴 婧

（苏州科技大学光电与信息技术研究所，江苏苏州 215009）

在单模光纤中级联两个对称缓锥，中间段去除涂覆层，包层作为传感臂对外界折射率敏感，实验上形成M-Z（马赫-曾德尔）干涉仪。对锥区光场进行分析，当锥腰半径为25μm时，光纤内模场半径达到最大值，约为14.8μm。当锥形光纤锥腰半径为12.5μm、过渡区为5 mm、锥间隔为131 mm时，耦合与合波效果最佳，此时传感臂可检测的酒精浓度范围为0～100%，折射率和波长偏移存在很好的线性关系，灵敏度为-120 nm/RIU。该传感器具有插入损耗低、性能稳定和抗干扰能力强等优点，可应用于酒厂酒精度检测和水质监测等领域。

光纤光学；干涉仪；对称缓锥；传感器；折射率

0 引言

自然界中物质的质量、密度、折射率以及其他相关电学参数都是反映其特性的重要物理量，其中折射率参数在环境监测、石油化工和医疗等领域尤为重要［1］。近年来，越来越多的学者利用单根光纤制作M-Z（马赫-曾德尔）干涉仪，用于折射率、温度等方面的测量。光纤M-Z干涉仪不仅具有一般干涉仪的优点，还具有制作简单、价格低、损耗低和性能稳定等特性［2］，且在单根光纤上就可以产生干涉，可用于折射率、应力、温度和湿度等的传感测量。实现M-Z干涉仪的基本原理是在单光纤上制作出特殊的光纤结构［3］，这些特殊结构要求既能激发出光纤高阶模又能将其再与纤芯基模进行耦合，两者之间产生相位差，从而发生干涉。根据模式激发方式的不同，特殊光纤结构可分为错位型［4］、纤芯失配型［5］、光纤气泡型和光纤锥型［6］等。错位型是在熔接光纤时使纤芯发生偏移，在熔接点处将高阶模和纤芯基模耦合，但错位熔接损耗较大，且需严格控制熔接参数；纤芯失配型是将不同芯径的光纤进行熔接造成芯径不匹配从而激发高阶模，但由于芯径不同，光纤耐放电程度也不同，放电过大或过小都会导致熔接失败，需要反复调整熔接程序［7］；光纤气泡型是在光纤端面制作空气气泡后再进行熔接形成空气腔而激发高阶模，但在熔接气泡时需不断修改熔接参数，避免由于放电强度过大导致熔接坍塌；光纤锥型是使用物理或化学方法改变光纤直径（变粗或变细）激发高阶模。由于光纤锥型M-Z干涉仪成本低，制作更为简便，在折射率传感测量中被广泛研究。2008年，Zhao Bingtian等人在一根标准单模光纤上制作出一个锥区长900μm、锥腰直径约40μm的锐锥，构成单光纤M-Z干涉仪，其折射率灵敏度约为-35 nm/RIU［8］。随后的大量研究都是基于锥区为锐锥的情况，鲜有锥区为缓锥的研究。

本文将对称缓锥结构置入单模裸光纤中，制成新型M-Z酒精浓度传感器。实验中使用普通拉锥机对单模裸光纤进行拉锥，通过改变拉锥机中步进电机的速度可以制作不同结构的缓锥。经过多次实验找到最佳拉锥参数，制作出了级联对称缓锥结构M-Z干涉传感器，分析了锥形光纤光场变化与光纤半径的关系［9］，理论推导了波长偏移量和锥间隔以及外界折射率之间的关系［10］。结果表明，该传感器具有制作简单、价格低、性能稳定且酒精浓度响应灵敏度高等优点。

1 锥形光纤的特性分析

光纤M-Z干涉仪主要基于纤芯模和包层模之间的耦合，其结构可分为两个对称部分。通过第1个结构时，纤芯中的能量耦合到包层中，经过第2个结构时，包层中的能量重新耦合回纤芯中，因为包层模和纤芯模之间存在有效折射率差，不同模式间产生相位差，形成干涉达到传感检测目的［11］。光纤M-Z干涉仪主要分为以下几种:光纤纤芯中置入一对具有一定间隔且结构相同的长周期光纤光栅［12］、有偏差的两段光纤结构级联形成的纤芯失配M-Z干涉仪结构、纤芯直径被放大的对称粗锥结构［13］以及在纤芯中置入对称细锥的M-Z干涉仪结构。

光纤的锥形结构分为包层锥结构（纤芯半径不变包层半径变小）和纤芯锥结构（纤芯半径和包层半径同时改变）。拉制光纤的常用方法可分为物理器件研磨法、化学试剂腐蚀法以及熔融拉锥法［14］。拉锥光纤的形状结构分为锥腰区（锥均匀区）、过渡区（锥区）和未拉锥光纤区（原始光纤区）。图1所示为对称锥构成M-Z干涉仪的结构示意图。新型的MZ干涉仪由一段常规单模光纤和两个单模缓锥组成，两个缓锥之间的单模光纤去除涂覆层当成传感臂。第1个光纤锥将单模光纤中的高阶模激发进入包层，高阶模和纤芯基模传输一段距离后在第2个光纤锥耦合输出［15］。两者间存在的有效折射率差导致相位差，从而产生干涉。

图1 对称锥形M-Z干涉仪结构示意图

在光纤拉制的过程中，随着光纤半径的减小，纤芯中传输的光场先扩散到包层中［16］，此时包层的归一化频率，式中，a为纤芯半径；λ为光波波长；n0为空气折射率；nclad为包层折射率。包层支持多种模式传播，模场半径随着光纤外径的减小而增大［17］；当光纤半径减小到一定程度（约40μm）时，包层与空气界面开始影响光纤内的光场，限制模场增大，但是起主导作用的是纤芯中模场向包层中扩散，整体上模场半径还在持续增大［18］；当光纤半径减小到25μm时，光场几乎全部扩散到包层中，此时包层-空气组成具有一定折射率差的波导结构，包层与空气界面对光纤内光场的影响已经与纤芯中模场向包层中扩散能力相抵消，此时模场半径达到最大数值，约为14.8μm；当光纤半径继续减小时，空气和包层的限制起主导作用，模场半径随着光纤半径的减小而减小［19］；当光纤半径减小到0.5μm时，包层中只剩下包层基模Vcd＜2.405。

2 光纤M-Z干涉仪的折射率传感器

本文采用熔融拉锥法，选用基隆公司的OC-2020拉锥机，光纤为康宁公司的SMF-28单模光纤［15］，其各项参数如下:纤芯直径为8.3μm，光纤外径为125μm，纤芯折射率为1.467 7，包层折射率为1.463 3。图2所示为光纤锥腰区和未拉锥光纤的对比图。实验中锥形光纤的锥腰区半径约为12.5μm，过渡区约为5 mm。过渡区长度远大于锥腰区直径，此时拉锥光纤为缓锥光纤结构。

图2 光纤锥腰区和未拉锥光纤的对比图

当光源通过对称锥时，其输出谱可以通过光谱分析仪显示。纤芯的基模和包层模式之间将产生相位差φ，形成M-Z干涉［5］。基模的光程为X1= L1ncore，包层模的光程为X2=L2nclad，两者的光程差为

式中，L1和L2分别为光信号在纤芯和包层中的传输距离；ncore为纤芯折射率。因为L1、L2可近似等于锥间隔L，化简公式（1）得到ΔX=LΔn，Δn= ncore-nclad，此时基模跟包层模之间的相位差为

式中，λ为输入光波长。

传感器输出端的光强表达式［17］如下:

式中，Icore（λ）和Iclad（λ）分别为纤芯模和包层模的光强；φ0为初始相位［4］。当φ0=0时，干涉条纹峰值波长和光程差的关系为

当外界折射率发生变化时，光纤包层模的有效折射率也会发生变化，变化量为δnclad，纤芯基模不受外界干扰，折射率保持不变。此时有效折射率差为δΔn，干涉波长偏移量为Δλ。新的干涉条纹峰值波长和光程差的关系为

联立式（4）和式（5），得:

式中，δΔn=ncore-（nclad+δnclad）-（ncore-nclad）= -δnclad；干涉波长偏移量Δλ和包层模有效折射率变化量δnclad的关系为

式中，Δnext为外界折射率变化量。

由式（7）和式（8）可知，随着外部折射率的增大，包层模有效折射率也增大，干涉谱会发生偏移，且锥间隔L与波长偏移量Δλ成反比。实验中使用不同浓度的酒精作为外界溶液，通过追踪干涉谱峰值波长的偏移量推算出折射率灵敏度，从而可以在外界溶液浓度未知时反推算出外界折射率，达到折射率测量的目的。

3 实验分析

实验中所用光源为AT公司的BBS（宽带光源），OSA（光谱分析仪）为Agilent86140B。图3所示为在BBS基础上得到的透射谱曲线，波峰间隔3.72 nm，调制深度约16.7 dB。

实验装置如图4所示。OSA的检测范围为1 530～1 570 nm，中心波长设置在1 550 nm附近。实验中，将锥间隔L=131 mm的传感器置于固定台上，保持室温为25℃不变，将传感臂浸没于不同浓度的酒精中，不同浓度的酒精折射率不同，波长偏移量也不相同。图5所示为酒精浓度为25%、50%和100%（对应折射率为1.348、1.358和1.366）时的透射谱曲线。

图3 对称锥结构M-Z干涉仪透射谱

图4 实验装置

图5 不同浓度的酒精对应的透射谱

从图中可知，当酒精浓度为25%时，折射率为1.348，此时透射谱曲线蓝移1.44 nm；当酒精浓度为50%时，折射率为1.358，此时透射谱曲线蓝移2.56 nm；当酒精浓度为100%时，折射率为1.366，此时透射谱曲线蓝移3.60 nm。图6所示为外界折射率与波长偏移量对应图。从图中计算得到该传感器的灵敏度为-120 nm/RIU，与文献［3］级联两个锐锥效果相近，折射率和波长偏移有很好的线性关系。当折射率灵敏度系数为正时，随着折射率的增大，透射谱波长发生红移；当折射率灵敏度系数为负时，随着折射率的增大，透射谱波长发生蓝移［8］。

图6 不同折射率对应的波长偏移

4 结束语

本文提出一种新型的光纤缓锥形M-Z酒精浓度传感器的制作方法，介绍了锥形光纤传播理论以及新型全光纤M-Z传感器的工作原理。锥腰半径为25μm时，模场半径可达最大值，约为14.8μm，改变酒精浓度，透射谱随之产生偏移［4］。实验制作了锥间隔L=131 mm的光纤M-Z酒精浓度传感器，在一定折射率范围内，传感器的折射率响应度较高，灵敏度能达到-120 nm/RIU。该传感器具有制作简单、灵敏度高、插入损耗低、价格低廉和性能稳定等特点，适合测量酒精等液体浓度，在酒厂及石化等领域有广泛的应用前景。

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A Refractive Index Sensor Based on Single Fiber Taper M-Z Interferometer

DING Xiang-xia，DONG Xing-fa，LüZheng-bing，JIANG Li，WU Jing
（College of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China）

In this paper，we cascade two symmetrical slow tapers in a single-mode fiber and remove the coating between two tapers，which achieve a Mach-Zehnder（M-Z）interferometer.The cladding is act as a sensing arm，which is sensitive to the refractive index in the outside world.Through the analysis of the optical field evolution of taper region，mode field radius will reach maximum value of 14.8μm when fiber taper has a radius of 25μm.When taper waist radius is 12.5μm，transition region is 5 mm，and taper region interval is 131 mm，the effect of coupling and waving is best.The sensing arm can detect alcohol concentration in the range of 0～100%，which has a good linear relationship between refractive index and wavelength offset with detection sensitivity of-120 nm/RIU.The sensor has advantages of low insertion loss，stable performance and strong anti-interference capacity，which can be applied to areas such as distillery and water quality monitoring.

fiber optics；interferometer；symmetrical slow taper；sensor；refractive index

TN253

A

1005-8788（2016）05-0058-04

10.13756/j.gtxyj.2016.05.017

2016-05-17

江苏省青蓝工程中青年学术带头人项目资助（2010-101）；江苏省企业研究生工作站资助项目（2012-0819）

丁祥霞（1991-），女，江苏南通人。硕士研究生，主要研究方向为光电信息处理。

董兴法，教授。E-mail:dongxfa@mail.usts.edu.cn