基于保偏微光纤的高灵敏度振动传感器

朱晓军，刘 文，孙 丹，吴万铎，章国安

（南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226019）

目前，振动检测采用的主要是电磁传感检测和基于激光多普勒效应或光波干涉原理的检测方法。相较于传统的电磁传感，光纤振动传感抗电磁干扰能力强、环境适应能力强，与光纤天然兼容[1]，在灵敏度、带宽、噪声限制及最小可检测压力等方面存在独特的优势，成为了学者们研究的热点[2-7]。并有多种光纤结构被应用于振动探测，包括光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）、Sagnac 环、马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer，MZI）等。Takahashi 等[8]人报道了基于FBG 的声压光纤传感器；Kilic 等[9]人将单模光纤和光子晶体镜面组成法布里珀罗干涉仪（Fabry-Pérot interferometer，FPI）进行声音振动探测，当声音频率为50 kHz 时，其最小探测压力为18 μPa·Hz-1/2；Chandra[10]利用MZI 制作了一种双通道MZI 以消除强烈的干扰噪声，实现声波探测。

近年来，与其他MZI 相比，微光纤马赫-曾德尔干涉仪（microfiber-assisted Mach-Zehnder interferometer，MMZI）由于其响应快、结构简单、灵敏度高、光学特性良好等特点成为新型振动传感研制的重要方向[11-12]。Dass 等[13]报道了一种微光纤悬臂梁无膜片低频声传感器。当其在0～400 Hz 频率范围内工作时，测量灵敏度最大为10.63 mV/Pa。然而，这种传感器不是全光纤结构，实验过程中需要精确控制微光纤和单模光纤的间距，对实验要求较高且不利于产品封装。Yuan 等[14]人使用经拉锥的保偏光纤（polarization-maintaining fiber，PMF）制作了滤波器并应用于激光腔中，通过调节腔内的偏振控制器，实现多波长输出。PMF 内部具有应力区能够保证光的线偏振传输，提高相干信噪比，通过拉锥破坏其应力区形成保偏-非保偏-保偏结构，实现滤波的功能。

本文利用保偏-非保偏-保偏结构的MMZI 设计出一种结构简单、灵敏度高的光纤振动传感器。对PMF 进行拉锥并和FBG 结合组成全光纤结构，对振动信号进行探测。理论分析和实验结果表明，这种结构的传感器相比其他振动传感器，能进一步提高灵敏度指标，改善噪声限值，为后续振动信号的探测，以及高灵敏传感器的制备奠定了良好的理论和实验基础。

1 MMZI 工作原理

图1（a）为PMF（THORLABS，型号为PM1550-XP）的几何结构，我们采用的熊猫型PMF 芯径为8 μm，应力区直径为20 μm，包层直径为125 μm。由于其具有两个应力区，因此可以保证线偏振光的传输。通过氢氧焰拉锥技术对PMF 进行拉锥。偏振模色散光纤的初始纤芯直径约为8 μm，远小于光纤包层直径。在拉锥初始阶段，PMF 内部应力区未被破坏，能够保持良好的折射率分布和偏振特性[15]。但随着光纤直径的减小，通过锥腰区的低阶模减少，高阶模增加并形成干涉。通过模拟仿真发现，当PMF 锥腰直径D=2 μm 时，PMF 的不对称折射率分布加强了基模的泄漏[16-17]，其中传输的基模会转变为包层模，有较好的光谱消光比和频移。因此在之后的实验中采用锥腰直径为2 μm 的PMF 进行选模。

图1 PMF 描述Fig.1 Description of polarization maintaining fiber

如图1（b）所示，HE11模式与TE01和TM01模式交换能量并产生干涉光谱。PMF 中TE01模式和TM01模式的归一化输出光强比T[18]可以表示为

其中：λ 是入射光的波长；ΔL 是TE01模和TM01模之间的光程差，由它们的有效折射率和PMF 腰部l 的长度决定；Δφ=（2πΔL）/λ 是TE01模和TM01模之间的相位差。

根据式（1），T 由λ、有效折射率和l 确定，模式的有效折射率和干涉过程受l 的影响，因此在制造过程中应控制PMF 的锥化参数。我们通过拉锥Panda 型PMF 来制备光纤直径为2 μm 的微光纤MMZI，其实验装置如图2 所示。用光纤位移夹具将PMF 两端固定，将PMF 放置于氢氧拉锥机上，通过控制氢、氧气体比例来控制火焰温度。PMF 两端分别连接宽带光源（THORLABS，型号为LSM-ASEC-F）及光谱仪（YOKOGAWA，型号为6370D）进行光谱的实时检测。光源输出光功率为20 dBm，中心波长范围为1 530～1 560 nm，由测试结果得知，最佳锥化速度为160 μm/s，此时可实现保偏光纤的非绝热锥化，并可获得高消光比的干涉光谱。

图2 PMF 熔融拉锥实验装置示意图Fig.2 Diagram of PMF melt biconical experimental apparatus

如图3 所示，在拉锥的过程中，PMF 中心的应力区受到高温破坏，从而形成保偏-非保偏-保偏结构。图4 为MMZI 的透射光谱与初始光谱对比，经过拉锥的PMF 具有良好的梳状滤波特性，光纤的自由频谱范围（free spectrum ranges，FSR）为8.16 nm，通道带宽（bandwidth，B）为8.08 nm。

图3 保偏-非保偏-保偏结构的MMZIFig.3 MMZI with polarization-preserving-nonpolarization-maintaining structure

图4 MMZI 制备过程中的透射光谱图Fig.4 Transmission spectra in the preparation of MMZI

基于拉锥PMF 的MMZI 是依靠曲率变化来实现振动信号的探测。设振动信号满足

其中：A 是振动幅度；f 是声音振动频率。

当振动信号通过介质作用到MMZI 时，MMZI受到径向的应力，当应力引起径向变化时，考虑光纤直径D 变化，光的相位变化为

其中：k0为光在真空中波数；n 为折射率；L 为光在MMZI 中经过的MMZI 长度；为传播常数的变化量；P11、P12为光纤的光弹系数；ε1是光纤的横向应变。

当有应力存在时，代入式（2），得到透射谱峰值的偏移量

其中：λ 为光波长；Δneff是基模与高阶模式之间的有效折射率差。

在相位变化中，光纤的微形变应满足与振动信号同频的正弦变化，相位变化可以表示为

设FBG 的布拉格反射峰波长为λF，则此时MMZI 在波长λF处的光强为

FBG 的反射率为

其中：I1为基模光场；I2为包层中各模式光强度；LM为光在PMF 中经过的PMF 长度；ε3为光纤纵向应变；δ 表示光的初始相位。

光电探测器探测到的光强为

2 传感器设计与实验讨论

图5 为声波探测系统结构示意图。宽带光源（THORLABS，LSM-ASE-C-F）经光纤环形器（optical fiber circulator，OFC）1 口将光输入到MMZI 中，FBG 将满足反射条件的光反射，其余的光将会透射出系统。经FBG 反射的光从2 口进入3 口经光电探测器（THORLABS，型号为DET08CFC/M）探测（photo detector，PD）将光信号转化为电信号。基于拉锥PMF 的MMZI 是依靠其曲率变化来实现声波信号的探测。将MMZI 置于距离声源（EDIFIER，型号为R201T III）1 m 处，声源发射强度为0.000 1 W/m2，当没有振动信号时，MMZI 曲率不变，其透射谱不会发生偏移，此时光电探测器检测到的光强是定值，并将光信号转换为直流电信号；有振动信号时，MMZI受到声压的作用曲率发生变化，梳状谱发生偏移，FBG 只反射单一固定波长的光，因此FBG 反射光由于MMZI 透射谱的偏移，其中心波长的光强度也将会发生变化。由于振动信号为正弦（余弦）信号，因此MMZI 受到的声压也将会与振动信号同频率地增大或减小，导致FBG 反射回的光强同频变化，经光电探测器输出为与振动信号同频的交流模拟信号。图6 为从光纤环形器的2 口与3 口检测到的透射谱。

图5 声波探测系统示意图Fig.5 Schematic diagram of acoustic detection system

图6 环形器输出光谱图Fig.6 Output spectrum of the circulator

振动探测器是振动探测的核心器件，根据振动频率来判断振动源的特性。因此，我们利用MMZI进行振动探测模拟实验，以期对后续振动探测做准备。我们将MMZI 固定音响振动膜表面，固定声音振动功率为25 W。

如图7 所示，我们对不同频率的正弦信号进行探测，当f 从200 Hz 变化到1 250 Hz 时，经过MMZI 探测的光信号随振动信号变化。其中，短线为声波的驱动电信号，实线为经光电探测器探测到的光信号。在响应范围200～1 250 Hz 内，传感器可以清晰地检测到振动响应信号并与之匹配，传感器灵敏度可达35.47 mV/Pa。

图7 不同声波频率下检测到的时域信号Fig.7 Time domain signals detected at different acoustic frequencies

图8 为通过傅里叶变换可得到此范围内的输出信号频谱图，在200～1 250 Hz 范围内，传感器输出的电压信号振动频率与输入频率相匹配。随着声波频率增大，传感器在振动幅度上有轻微减小，但无失真情况。为进一步验证此传感器的性能优势，在没有施加声压的情况下检测平均噪声信号为0.028 mV，计算噪声限制的最小可检测压力（minimum detectable pressure，MDP）为171.7 mPa·Hz-1/2，表明系统受噪声影响小，探测结果准确。

图8 不同声波频率下检测到的频域信号Fig.8 Frequency domain signals detected at different acoustic frequencies

表1 给出了多种振动传感器件的性能，它们与本文设计的结传感器相比，在结构、响应范围、灵敏度这几个方面都有不足，本文设计的全光纤传感器的灵敏度是目前可知的、低频声音响应范围超过1 000 Hz 的最高灵敏度。

表1 光纤振动传感器的比较Tab.1 Comparison of optical fiber vibration sensors

3 结论

本文设计了一种基于保偏微光纤的高灵敏度低频振动探测系统，该系统主要由保偏光纤拉锥形成的多通道梳状滤波MMZI 与FBG 组成。对该MMZI 进行理论分析、仿真及振动信号探测实验，其检测信号在200～1 250 Hz 范围内与源信号相匹配。经实验证明该传感器工作稳定，噪声极限最小检测压力为171.7 mPa·Hz-1/2，灵敏度可达35.47 mV/Pa，这为后续高灵敏度振动传感器的制备奠定了良好的理论和实验基础。