仿海豹胡须的等离子体共振传感器的设计与研究

李 冰，朱建军，康 胜，肖才远

(1.郑州科技学院电气工程学院，河南郑州 450064；2.邵阳学院艺术设计学院，湖南邵阳 422000；3.邵阳学院机械与能源工程学院，湖南邵阳 422000)

0 引言

光纤传感器在工农业、建筑、医疗及科技等方面起着重要作用[1-2]。尤其近些年来，光纤传感器广泛应用于测量应力与折射率，如基于光栅的光纤传感器[3-4]、基于光子晶体的光纤传感器(PCF)[5-6]、基于迈克耳孙光纤干涉仪[7]及其他基于微结构的光纤传感器[8-9]。2012年，F. Xu等[10]研制了基于光子晶体的应变传感器，经过实验测量，其对外界发生的应变感知灵敏度为3.02 pm/με；2015年，北京交通大学实验室[11]基于双芯光纤研究了用于测量温度与应力的全光纤型传感系统，经过测量，其灵敏度可达1.25 pm/με；2016年，裴丽教授[12]基于大直径光纤锥研究出了以干涉仪作为滤波器的应力传感器，实验结果显示在波长1557 nm附近，其研制的传感器敏感度可达3 pm/με；2014年，天津理工大学曹晔等[13]以RIU为单位折射率设计并制作了多模光纤传感器，经过测量其灵敏度为32.2×103pm/RIU；2016年，西安石油大学的傅海威等[14]以化学腐蚀为方法研制了灵敏度可达216.21 dB/RIU的液体折射率传感器；后来刘颖刚等[15]又研制出了基于Bragg光栅且折射率灵敏度可达14.41×103pm/RIU的光纤传感器。但是以上这些传感器的制作工艺非常复杂、灵敏度一般且费用较高，不适合大批量生产。

由于海豹的胡须呈现出一个弧形，当周边的动物游过产生尾波时,它的胡须会发生颤动，这种颤动会使海豹能够判断出要捕猎对象的大小、形状，以及所经过的路径。因此，本文以海豹胡须为灵感，基于以上分析本文以MZI为原理，以偏芯熔接为构造方法，以光纤包层模和纤芯模对应力、折射率的敏感特性为机理，研制了可用于测量应力和折射率的新型光纤传感器。当外界施加不同的应力及测量不同浓度的甘油水时，传感器干涉光谱的波长都靠近短波移动，应力和折射率的灵敏度分别为7.00 pm/με和55.223×103pm/RIU，本文制作的传感器结构简单，制作成本较低且灵敏度较高，可实现大批量生产。

1 光纤传感器结构的设计及原理

本文研究的用于应力和折射率测量的新型光纤传感器结构设计如图1所示。其由3段型号为SMF-28e(SMF)的单模光纤组成，其中光纤的纤芯直径是8.2 μm，包层直径是125 μm，可通过偏芯熔接的方法实现模间干涉。光信号传输的方式为：首先光信号从SMF的纤芯进入，然后激发的部分纤芯模经过SMF1的纤芯传输至SMF，而其他纤芯模进入包层进行耦合后激发出包层模。当所有模式传输至熔接点A2时，纤芯模不但相互耦合还与包层模耦合，这就导致所有的能量重新分配后引起干涉谷的生成。尽管许多的模式在SMF1包层中被激发，但包层模具有主次要之分，处于主要地位的包层模与纤芯模发生干涉后产生干涉光谱；处于次要地位的包层模也会和纤芯模发生干涉，但这种干涉不会产生光谱，其只对产生的光谱进行有效的调制。

图1 新型光纤传感器的结构及光信号传输方式

光纤SMF1的输出端总光强I表示为

I=I1+I2+2I1I2cos(2πLΔn/λ)

(1)

式中：I1为SMF1中纤芯的光强；I2为SMF1中包层的光强;Δn为两者的有效折射率差；λ为中心波长；L为光纤的长度。

当传输谱中的信号幅度为最小值时，其对应的位置满足π的奇数倍，如式(2)所示：

2m+1=2LΔn/λ

(2)

由式(2)可得滤波器相邻波谷为

|Δλ|=λ2/LΔn

(3)

由式(3)可得，光纤的长度、中心波长及纤芯与包层的有效折射率差同时对滤波器相邻波谷的波长间隔有一定的影响。

SMF1的长度会随受到的应力产生细小的变化。由于纯石英构成包层的弹光系数远远小于掺锗石英纤芯的弹光系数，这就导致两者之间的有效折射率差大大减小，同时会对传输谱线造成一定的影响。输出波长的变化量在温度不变时可用式(4)表示[16]：

Δλ/λ=-(1+2ν+pe)ε

(4)

式中：ν和pe分别为光纤的泊松系数与有效弹光系数；ε为其单位长度的形变量。

由式(4)可得，透射光谱曲线在存在轴向应力的情况下沿着短波移动。

SMF1的包层与其周围环境的折射率成正比关系，但纤芯具备相对较小的直径，使其不会随着外界环境折射率的变化而变化。对式(2)的折射率求导后可得式(5)，如下：

(5)

其中(∂Δn)/(∂n)<0，所以(∂λ)/(∂n)<0，这就很好地解释了为什么环境折射率增加时，传感器谱线干涉谷处的波长会沿着短波方向移动。

根据上述设计思想及理论推导，本文设计的传感器测试系统如图2所示，主要包括宽谱光源、传感器、测试平台以及光谱分析仪。

图2 设计的光纤传感器的测试系统示意图

2 实验结果与讨论

实验中，为了确定光纤纤芯偏移量和干涉消光比的关系，我们制备了一批长度和偏移量均各异的偏芯光纤滤波器。如图3(a)为实验结果，当SMF1长度一定时，干涉达到最大所对应的偏移量为6 μm，这时具有最明显的干涉现象。以1 545 nm左右2个透射波谷为参考点，对不同长度SMF1的光谱(FSR)进行了测量，测量结果如图 3(b)所示。从图3(b)可以看出，SMF1长度L越长，FSR的值越小，也就是说，1/L越大，FSR值也越大，两者呈现出较好的线性关系，相关系数平方达到了0.983 4，具有非常好的拟合效果，且与上节的理论推导结果一致。值得注意的是，SMF1不宜过长和过短，因为过长会导致较大的损耗，过短会导致FSR太宽影响测试结果。因此，综合考虑最后设计的偏芯熔接光纤的偏移量dco为6 μm，长度L为4 cm。

(a)SMF1纤芯偏移量与消光比的关系

(b)FSR与1/L的关系图3 实验结果

制作的光纤传感器如图4所示，将传感器放置于室内一段时间，其产生的近红外透射光谱如图5所示。由图5可以看出，本文制作的传感器具有较好的干涉消光与FSR，且基本不存在损耗。分别选取1 570 nm和1 585 nm附近的波谷对传感器的应力和折射率特性进行分析，实验中的可移动平台温度不变，始终保持20 ℃，然后应力从0开始增加，每次增加的步进为100 με，增加至500 με停止。

图4 制作的光纤传感器

图5 光纤传感器近红外透射光谱图

(a)光纤传感器应力透射图

(b)特征波长干涉谷与应力的关系图6 实验结果

光纤传感器透射光谱波峰/波谷随着应力的增加沿着短波方向偏移。实验结果如图6(a)所示，在应力增加的范围内，波长大约偏移了3.5 nm，和上节理论分析中的式(3)、式(4)结果吻合。经过多次的重复测试后发现，本文研制的传感器具备良好的应力响应特性。1.585 μm附近的波谷随着应力变化而发生的曲线变化如图6(b)所示。本文研制的传感器的应力灵敏度更高，可达7.00 pm/με。除此之外，波谷波长的偏移量与应力的线性良好，其相关系数平方达到了0.997 7，具有非常好的拟合效果。

我们配制了质量分数范围为0～50%的甘油水溶液对本文研制的光纤传感器的折射率进行了分析。实验结果发现，室内温度不变时，甘油水溶液的折射率与其质量分数成正比关系，0～50%的溶液对应的折射率为1.332～1.398 RIU。

(a)传感器在不同折射率溶液中的光谱图

(b)特征波长干涉谷与折射率的关系图7 实验结果

3 结论

本文以MZI为基本原理，设计并制作了新型的具有高灵敏度的单模光纤偏芯结构光纤传感器。然后以1.585 μm和1.570 μm两处的干涉谷为例对传感器的应力和折射率进行了测量与分析。实验结果表明：本文研制的传感器的干涉谷的波长变化和应力、折射率存在非常好的线性关系，当施加的应力为0～500 με时，其透射光谱随着应力的增加向短波方向偏移，经过计算测量的应力灵敏度可达7.00 pm/με。当折射率为1.332～1.398 RIU时，传感器的透射光谱随着溶液折射率的增大而向短波长方向偏移，经过计算得出的传感器的折射率灵敏度为55.223 nm/RIU。本文设计和制作的光纤传感器具有结构简单，体积小和高灵敏度的特点，在生物学及医药学有非常广阔的应用前景。