微纳光纤耦合应变传感器

彭保进，李连琴，马倩倩，王梦娇，王增辉

（浙江师范大学信息光学研究所，浙江金华321004）

1 引 言

光纤耦合器是一种对光波长、偏振光和光功率的比例分配与合成的重要无源器件。在波导中传输的光信号在耦合区域发生交替转移，首先在纤芯内传输的光会向包层扩散，然后通过包层耦合到旁边的光纤内，即光信号从直通臂耦合到耦合臂中［1-2］。光纤耦合应变传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、可远程监测和成本低等优点，相比传统体积较大的光学仪器更易于实现小型化和便携化［3-6］，因此，近年来成为研究热点。

应变测量在大型建筑结构的安全控制和航空航天领域起到非常重要的作用［7-9］。目前，研究人员已经开发了各种类型的光纤结构用于应变传感，如光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）［10-11］、长周期光栅［12-13］、光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）［14］。Kuwahara 等人将多根多模光纤缠绕在一起，同时把耦合区浸没在匹配液中，通过这种方法成功研制出世界上第一个光纤耦合器［15］。Yamamoto 等人利用化学腐蚀的方法，完成了锥形结构光纤耦合器的制作［16］。Kawasaki 和Hill 把熔融和拉伸两种工艺结合在一起，首次成功制作了熔锥型耦合器［17］。Sun 等人提出了一种自动电弧放电技术，通过使用商业融合成螺旋形地扭曲的长周期光纤光栅（H-LPFGs）［18］，结构的轴向应变灵敏度大约为1.88 pm/με，而拉伸应变με 从0 提高到480。Dash 等人报道一个紧凑的石墨烯氧化物（去）涂覆PCF干涉仪，基于简单的裂开和拼接SMF 和PCF 的应变传感器［19］，这种传感器的灵敏度为3.1 pm/με。Duan 等人证明了全光纤光学FPI 应变传感器的腔是一个微小的气泡，应变灵敏度约为4 pm/με［20］。陈剑等人研究了一种玻璃纤维封装的FBG 应变传感器［21］，这种传感器的灵敏度为1.195 pm/με。2020 年，郝子鉴等人提出一种基于拉锥FBG 的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究［22］，在0～300 με 内应变传感灵敏度为7.05 pm/με。

然而，上述传感器的灵敏度较低，并且制作工艺复杂。本文提出一种高灵敏度的微纳光纤耦合应变传感器，采用拉锥技术和光电技术，利用拉锥后的强倏逝场特性，探究其传光特性，并进行实时在线监测。该传感器性能良好，具有制作工艺简单、稳定性好和集成度高等特点，在安全检测等领域具有重要的应用价值。

2 传感器制作及原理分析

2.1 传感器的制备

采用光纤拉锥机制作微纳光纤，将一根单模光纤（型号：G652D）与光源和光谱仪连接，剥掉中间部分约2 cm 长的涂覆层，用无尘纸蘸取少量酒精搽拭干净，将单模光纤放置在拉锥平移台上。再取用一段单模光纤（长度约为9 cm），同样将光纤中间剥掉约2 cm 长的涂覆层，将两根光纤放在拉锥平台的通道中并进行打结（如图1（a）所示）。利用微纳光纤以及常规光纤3 dB 耦合器研制技术，制作出微光纤耦合器，其结构示意图如图1（b）所示。微光纤耦合器的组成部分可分为两个锥形过渡区和一个中间均匀腰区，并带有4个尾纤端口。该传感器的制作是在长度为2.5 cm 左右的范围内缠绕2～3 圈，光纤具有较好的抗拉性。

2.2 传感原理

图1 光纤拉锥耦合结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of fiber optic tapering coupling structure

微纳光纤耦合传感器如图1（b）所示，拉锥后的耦合器可分为强耦合区和弱耦合区。运用模式耦合理论进行分析，两根光纤中传输的光会在锥区部分进行能量耦合交换。随着耦合区的加长，能量的耦合交换呈现周期性变化［23］。

耦合模理论广泛地应用于光波导和波导器件的分析和设计中［24-26］。在逐渐拉锥光纤的过程中，光的模场耦合非常剧烈，此时可以忽略光纤纤芯。在耦合部分将原光纤包层视为纤芯，周围环境视为包层，形成一个新的复合波导，此时强融合系数的表达式为［27-28］：

其次，在弱融模式下，熔锥形单模光纤耦合器的耦合系数表示式可以简化成［27］：

强耦合系数和弱耦合系数沿z轴的积分在耦合区可以确定入射光通过的光纤与耦合光通过的光纤之间的相位差，并表示为［27］：

对于测试传感器的应变响应性能，不同应变参数使耦合器的耦合区产生应变，进而导致耦合器的耦合长度和折射率发生变化。考虑耦合区长度Leff的变化对耦合输出的影响。应变后传感器的耦合输出可以表示为［29-31］：

2.3 实验装置

首先，将两端单模光纤通过光纤熔接机进行放电熔接，然后将两根单模光纤置于拉锥平台（型号：IPCS-5000-SMT）上，图2 是制备的微纳光纤操作图。通过电脑控制步进电机，观察电脑上设置的氢气流量参数是否与氢气发生器一致，点燃氢气，在电脑端设置所需数据参数，待火焰稳定后启动光纤拉锥机。

图2 微纳光纤拉制系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of micro-nano fiber drawing system

图3 为高灵敏度光纤耦合应力传感器的实验装置。将制作好的光纤耦合器采用M-Bond 600型黏结剂粘在杨氏模量仪的钢丝上，将传感器的两端分别连接宽带光源和光谱仪。待杨氏模量仪的钢丝达到平衡后，依次增加砝码质量，观察光谱仪的谱线变化并记录数据。砝码质量与光纤应变的关系表示为［32］：

式中：m是砝码的质量，g是重力常数，S是钢丝的横截面积，Y是钢丝的杨氏模量，ε是光纤应变。

图3 高灵敏度光纤耦合应力传感器实验装置示意图Fig. 3 Schematic diagram of experimental devices for high-sensitive optical fiber coupled stress sensor

3 实验结果及数据分析

图4 所示是在显微镜下拉锥后的光纤图像，从图中可以看出均匀腰区已基本熔锥成一根微光纤。图4（a）的拉锥长度为40 mm，耦合直径为18.961 μm；图4（b）的拉锥长度为41 mm，耦合直径为13.343 μm。图5 所示是光纤拉锥前后的干涉光谱，当拉锥长度为40 mm 时，自由光谱范围为13.485 nm，消光比分别为15.777，12.986 dBm；拉锥长度为41 mm 时，自由光谱范围分别为9.259 7，8.450 6 nm，消光比分别为12.869，10.866 dBm。实验表明，通过减小耦合器耦合部分的尺寸，提高了传感器的灵敏度。锥区长度越长，干涉谱的自然光谱范围和消光比越小，得到［7］：

式中：Δλ是两个相邻波谷之间的距离，Δneff是纤芯和包层之间的有效折射率之差，L是干涉仪的干涉长度。

图4 不同拉锥长度的光纤显微镜图像Fig. 4 Microscope images of optical fiber with different pulling cone lengths

图6（a）所示是不同应变在拉锥长度为40 mm 时的透射光谱。当传感器的纵向应变逐渐增加时，干涉谱线发生蓝移。当应变为109.860 με～559.287 με 时，对干涉谱中的波谷进行数据分析，3 个波谷的线性拟合结果如图7（a）所示。从图中可以看出，传感器dip1 的灵敏度为16.2 pm/με，相关线性系数为99.9%；传感器dip2 的灵敏度为15.7 pm/με，相关线性系数为99.84%；传感器dip3 的灵敏度为18.9 pm/με，相关线性系数为99.98%。由此可知，该传感器具有线性度高、稳定性好等优点。

图5 不同拉锥长度光纤的透射光谱Fig. 5 Transmission spectra of optical fiber with different pulling cone lengths

图6 不同应变下光纤的透射光谱Fig. 6 Transmission spectrogram of optical fiber under different strains

图7 应变与波长的拟合关系Fig. 7 Fitting curves of strain and wavelength

图6（b）所示是不同应变在拉锥长度为41 mm 时的透射光谱。当传感器的纵向应变逐渐增加时，干涉谱线发生蓝移。当应变在109.860 με～559.287 με 变化时，谱线发生明显的漂移，该传感器具有很好的响应性。数据处理结果如图7（b）所示，传感器dip1 的灵敏度为19.9 pm/με，相关线性系数为99.9%；传感器dip2 的灵敏度为18.85 pm/με，相关线性系数为99.7%；传感器dip3 的灵敏度为19.84 pm/με，相关线性系数为99.9%；传感器dip4 的灵敏度为20.35 pm/με，相关线性系数为99.9%。

图8（a）所示是不同应变在拉锥长度为40 mm 的透射光谱，当传感器的纵向应变逐渐增加时，干涉谱线发生红移。当应变在559.287 με～109.860 με 变化时，对干涉光谱进行数据分析，3个波谷的线性拟合结果如图9（a）所示。dip1，dip2，dip3 的灵敏度分别为14.53，14.34，15.59 pm/με，相关线性系数分别为 99.816%，99.957%，99.869%。

图8 不同应变下光纤的透射光谱Fig. 8 Transmission spectrogram of optical fiber under different strains

图9 应变与波长的拟合关系Fig. 9 Fitting curves of strain and wavelength

图8（b）所示是不同应变在拉锥长度为41 mm 的透射光谱，当传感器的纵向应变逐渐增加时，干涉谱线发生红移。当应变在559.287 με～109.860 με 变化时，对干涉光谱进行数据分析，4个波谷的线性拟合结果如图9（b）所示，dip1，dip2，dip3，dip4 的灵敏度分别为19.96，19.15，19.65，20.14 pm/με，相关线性系数分别为99.675%，99.893%，99.909%，99.9%。通过对不同直径的传感器进行反复测量，实验结果得出该传感器具有较好的可逆性与稳定性。

图10 不同温度下谱线漂移的变化Fig. 10 Variation of spectral line drift at different temperatures

图11 不同波谷下温度与波长的线性拟合Fig. 11 Linear fitting of temperature and wavelength at different troughs

图10 为不同温度下光纤的透射光谱，在38～82 ℃内，随着温度的不断升高，谱线发生蓝移。如图11 所示，dip1，dip2，dip3 特征波长的漂移量的线性拟合度分别为0.963 22，0.956 51，0.949 44，dip1，dip2，dip3 的温度灵敏度分别为235.1，230.86，224.26 pm/℃。因干涉波谷对应变和温度具有不同的敏感特性，利用双参量系数矩阵可以解决温度影响的交叉敏感问题。

4 结 论

本文提出一种基于高灵敏度微纳光纤耦合器应变传感器。采用微纳光纤拉制平台，通过在线监测及光谱分析手段，对微光纤耦合器不同拉制阶段的传输损耗特性、波长选择特性和模式耦合特性等进行了实验研究。制作出具有良好光学特性、以耦合器为连接端口的“微纳光纤”，并开展了应变传感的理论与实验研究。结果表明，当微纳光纤耦合器的直径为13.343～18.961 μm时，传感器的应变灵敏度会随着耦合直径的减小而增大。通过熔融拉锥法制备了直径为13.343 μm 的光纤耦合器，得到了20.35 pm/με 的高灵敏度传感器，并解决了温度对应变引起的交叉敏感问题。该传感器稳定性好、结构紧凑且成本较低，在高灵敏度大型建筑结构监测等方面具有广阔的应用前景。