基于多模结构的光子晶体光纤应变传感器

高 朋, 刘 莹, 郑晓琳, 王子木

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

0 引 言

光纤传感器除了具有体积小、抗电磁干扰的独特优势以外,还有成本低、灵敏度高等优点,可以被广泛研究并应用于一些物理参量的测量,包括扭转[1]、应变[2]、温度[3]和磁场[4]等。光纤传感器在智能工程结构健康监测中也得到了广泛的应用。工程结构的曲率、弯曲和应变是与结构受力和健康状况密切相关的重要参数。PCF是一种具有石英-空气复合结构的新型光纤,其具有普通光纤所不具有的独特特性,包括极高的非线性、色散可控和双折射特性。许多基于PCF的传感器被提出的用于应变测量的仪器,如马赫-曾德尔干涉仪[5-6]、长周期光纤光栅[7]、Fabry-Pérot干涉仪[8]等。

近些年来,基于PCF的新型光纤传感器以及一些新型的传感结构受到了广泛关注。2007年,Dong等[9]报道了一种基于PM-PCF干涉仪的温度不敏感应变传感器。该装置测量范围为32 mε,但灵敏度仅为0.23 pm·με-1。2012年,Liu等[10]提出一种通过飞秒激光打孔和光纤拼接的双核光子晶体光纤MZI干涉仪。该装置的应变传感灵敏度为2.18 pm·με-1。2018年,Li等[11]提出了一种SMF-空心光纤(HCF)-PCF-SMF结构的传感器。在PCF中填充液晶,应变灵敏度可达1.25 pm·με-1。2019年,Dong等[12]报道了一种基于TCF-PCF-TCF结构的Mach-Zehnder模式干涉仪的高灵敏应变传感器。该装置的灵敏度为1.89 pm·με-1。2021年,Xu等[13]提出了一种具有SMF-MMF-PCF-MMF-SMF结构的干涉传感器。该装置的应变灵敏度可达2.4 pm·με-1。

本文提出一种基于多模对称结构的光子晶体光纤应变传感器。从传感结构方面着手,以寻找操作简单、成本低、可重复性高并且具有高灵敏度的应变传感器。该结构不需要激光器熔接,大大降低了成本,并且该结构具有高重复性和高灵敏度的特点。这使得它在许多应变测量应用中具有吸引力。

1 传感结构与原理

本文提出的传感器结构如图1所示,该器件采用MMF作为分束器和合束器与2段的SMF和1段的PCF组合而成。实验中所采用的MMF的纤芯直径为50 μm,包层直径为125 μm。PCF的横截面SEM图如图2(a)所示。PCF的包层直径为125.2 μm,其由5层空气孔组成,而PCF的纤芯直径为8.89 μm。将MMF的一端与SMF相接,另一端与PCF熔接在一起,熔接后的结构如图2(b)所示。

图1 传感器结构图

图2 (a)PCF截面的SEM图像;(b)融合区域的MMF结构图像

在实验中,采用MMF作为分束器时,SMF纤芯中的光在传输到MMF处时进入到MMF的纤芯。因为PCF的纤芯直径相比MMF来说很小,仅为8.89 μm。而MMF的纤芯直径为50 μm,因此,当光传输到分束器时,一部分光仍然在光纤芯中传播,另一部分则会进入到光子晶体光纤的包层中;当采用MMF作为合束器时,纤芯传输的光与在包层中传输的光在MMF中进行耦合。由于纤芯模和包层模的传输路径不同,所以在芯模和包层模之间传输的光会产生相位差,进而在耦合进入SMF时形成干涉。

理论上,本文所提出的MZI的纤芯模和包层模之间的干涉可以被认为是纤芯模强度I1、包层模强度I2和PCF物理长度L的函数,即

(1)

m阶干涉谷记为

(2)

因此,干涉谱的自由频谱范围(FSR)为

(3)

当沿光纤轴施加应变时谐振波长的漂移可表示为

(4)

可以看出,应变敏感性与扩展PCF长度L引起的Δneff变化密切相关,即∂(Δneff)/∂L。同时当施加应变ε时,接合处会产生轻微的物理变形。因此,随着应变的增加,输出光强也会发生轻微的变化。

2 实验系统

图3(a)为应变测量的实验装置。该器件中分束器的一端与宽带光源(ASE)相连接。ASE的输出功率为13.4 dBm,输出波长范围在1 525～1 568 nm。由合束器的一端与光谱分析仪(OSA)相连接。测量应变是在2个微移平台上完成的,如图3(b)所示。先将SMF-PCF-SMF结构固定在微移平台上,并使其自然伸直,将该状态记录为0 με。该微移平台其中一个是移动的,而另一个则是固定的。可移动的部分可以通过调节旋钮实现X-Y-Z这3个方向的运动。最小位移分辨率为0.01 mm。实验过程中轴向应变可以在0～800 με范围内变化。

图3 (a)实验系统示意图,(b)应变测量微移平台实物图

3 实验结果与分析

图1所示的传感结构为以MMF对称结构作为分束器及合束器的PCF传感器。该传感结构随着应变增加透射光谱的变化如图4(a)所示。根据应变的计算公式ε=ΔL/L可以得出,轴向长度变化量为0.01～0.10 mm时, 轴向应变的变化范围为0～800 με。当应变从0增大到800 με时,波峰处波长为1 543.4 nm处干涉的透射光强随着应变的变化基本不变。随着应变的增加,光谱发生蓝移。该器件的波长变化与轴向应变的变化如图4(b)所示,在0～800 με时,线性度为0.979 0,光子晶体光纤传感器的应变灵敏度为-2.87 pm·με-1。可以得出结论,上述MZI结构可以采用相位解调的方式,得到波长的变化随着应变变化的情况。在0～800 με时,该MZI结构可以达到-2.87 pm·με-1的灵敏度。

图4 (a)轴向长度变化量为0～0.10 mm时MZI的透射谱,(b)波长随应变的不同而变化

4 结 论

综上所述,本文设计了一种基于Mach-Zehnder原理的光子晶体光纤应变传感器,并通过实验对其进行了验证。该传感器采用SMF-MMF-PCF-MMF-SMF结构,通过在SMF与PCF之间拼接MMF的一段来制作。实验结果表明,当传感结构为MMF与PCF熔接而成的对称结构时,在0～800 μm范围内,该轴向应变传感器的应变灵敏度可达-2.87 m·με-1。该光纤传感器除了具有体积小、抗电磁干扰独特优势以外,还具有成本低、灵敏度高等优点。此外,该装置在应变测量领域具有很高的应用潜力。