同时测量温度与折射率的细芯锥形光纤传感器*

陈海林，江 超，郭小珊，申万梅，陶武强，李 宏

(湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

全光纤干涉仪传感器因结构紧凑、灵敏度高、制作容易、结构重复性好等特点而受到广泛关注[1－2]。利用“单模光纤－多模光纤－单模光纤”(single mode fiber-multimode fiber-single mode fiber，SMS)拼接构成的光纤干涉仪传感器被开发出来，而且大量类似SMS结构的光纤传感器也被提出[3－10]。SMS 结构传感器一般具有尺寸小、成本低、鲁棒性好、灵敏度高、响应快速等优点，但SMS 结构有时要用到价格较贵的特种光纤，拼接参数难以精确控制，结构重复性稍差。锥形光纤的纤芯与包层尺寸很小，它表面的倏逝场极易受到外部环境参量的影响，利用锥形光纤制作的传感器灵敏度更高。近年来，一些研究者对SMS 结构再进行拉锥，提高了传感器的灵敏度，缩短了传感器的响应时间[11－14]。细芯光纤具有更小的纤芯直径，传输光受约束的范围更小，细芯光纤构成的干涉仪传感器也得到了关注[15－18]。细芯光纤拉锥后，光纤中传输的模式与环境参量作用增强，增大了对环境参量的敏感性，提高了测量灵敏度[17－18]。本文利用单模光纤、无芯光纤、细芯光纤拼接了一款类似于SMS 的结构，并且对结构中细芯光纤进行精准拉锥，得到一个结构对称的马赫－泽德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)传感器，该传感器能够对环境温度与折射率进行同时测量，消除了交叉敏感。与文献[17－18]相比，设计的传感器采用了无芯光纤进行耦合，没有采用CO2激光器对细芯光纤进行周期性拉锥，而是采用光纤熔接机的拉锥功能对细芯光纤进行精准拉锥，制作相对简单些。同时，与没有拉锥的SMS 结构相比[7，19]，传感器的折射率灵敏度提高了不少，温度灵敏度与类似结构的光纤干涉仪温度传感器相当[4－5]。设计的传感器拼接容易、集成度高、折射率灵敏度高，在工业生产与日常生活中有一定的应用前景。

1 传感器结构与原理分析

传感器制作需要用到三种光纤，均由武汉长飞光纤光缆有限公司生产:(1)普通单模光纤(single mode fiber，SMF)，纤芯直径为9 μm，包层直径为125 μm；(2)细芯光纤(thin core fiber，TCF)，纤芯直径为3.8 μm，包层直径为125 μm；(3)无芯光纤(no-core fiber，NCF)，包层直径为125 μm。传感器结构如图1 所示，传感器制备需要经过两个步骤:

图1 光纤拼接拉锥构成的MZI 示意图与光路图

第一步，几种光纤拼接构成MZI 结构。将上面几种光纤按照“单模－无芯－细芯－无芯－单模”光纤结构进行拼接。SMF 作为输入与输出端，NCF 起耦合作用，TCF 作为主要传感元件。其中，两边起耦合作用的NCF 长度控制为2 mm。TCF 长度可以进行实验优化，把拼接结构的一端连接宽带光源，一端连接光谱分析仪，当TCF 长度分别为4 cm、5 cm、5.5 cm、6 cm、7 cm 时获得图2 所示的透射谱，经过反复对比与优化，发现TCF 长度为5.5 cm 时，MZI透射谱具有更好的条纹显示度。最终制备的MZI中TCF 长度为5.5 cm。

图2 MZI 中细芯光纤取不同长度时的透射谱

第二步，对拼接好的MZI 中的TCF 进行拉锥。采用日本藤仓公司生产的大芯径多功能光纤熔接机(型号为FSM－100P＋)的拉锥功能对TCF 进行拉锥。将MZI 中间部分的TCF 固定在FSM－100P＋中，调节好光纤位置，将FSM－100P＋设置为拉锥模式。拉锥参数设置为:拉锥后腰部直径40 μm，腰部直锥体长度为4 mm，左右两边的锥形部分长度为5 mm[13]。设定好拉锥程序后，对TCF 进行拉锥。当TCF 的锥形参数拉制成功后，传感器结构制备完成。

图3 为拉锥的MZI 和未拉锥的MZI 的透射光谱在1 300 nm～1 600 nm 之间的对比图，从图3 中发现未拉锥的透射光谱谐振峰较少，条纹间隔较大。经过拉锥之后，由于TCF 的包层和纤芯尺寸变小，增强光纤干涉条件，因此在透射光谱中出现更多敏感的谐振峰。图4 为拉锥MZI 传感器在1 350 nm～1 500 nm 之间的初始透射谱，后面实验选择间隔比较大的波谷Dip 1 与Dip 2 来研究传感器的特性。

图3 拉锥的MZI 和未拉锥的MZI 的透射谱

由图4 的传感器光谱图经傅里叶变换得到图5的传感器空间频谱图，其中基模与第1 阶包层模式在光谱功率成分中所占比重最大，它们对光谱的形成起主要作用。其余十多个高阶模式，在光谱成分中所占比重较小，对光谱形成有一定的贡献。说明传感器光谱是多模干涉形成的。

图4 传感器的透射谱

图5 传感器的频谱图

光在传感器中传输的光路如图1 所示，在传感器中起主要作用的是细芯光纤，两边的无芯光纤起耦合作用。当光场传播到输入单模光纤与无芯光纤的熔接截面时，由于芯径不匹配，在熔接处激发出多个光模式，这些激发的模式又耦合进细芯光纤中传输，当到达细芯光纤锥形部分，一部分沿着细芯光纤纤芯传输，一部分沿着细芯光纤包层传输，两路光进一步被约束，纤芯中光继续传播，包层光进一步被约束在包层内外表面传播，两路光形成光程差，最后经过无芯光纤耦合进输出单模光纤产生干涉，构成一个MZI。为了简化分析过程，假设由细芯光纤中传输的两个主要模式引起的光程差形成干涉，设细芯光纤的纤芯模为LPμ和包层模为LPν，则LPμ与LPν的相位差φμ，ν:

式中:λ为自由空间光波波长，Δneff为细芯光纤中纤芯模和包层模有效折射率之差，L为细芯光纤长度。当相位差满足干涉条件时，依据公式(1)可得干涉仪透射波m阶谐振峰波谷波长:

当传感器的外界参量波动时，会使传感器中Δneff和L发生一定的微小变化，依据公式(2)，将引起传感器λm发生漂移。因此考察λm的漂移量，能够解调出温度或折射率等环境参量的值。还可以利用公式(2)估算传感器的温度或折射率灵敏度。

2 实验结果与分析

2.1 温度实验

利用管式炉进行温度实验研究，图6 为温度传感实验装置图。主要包括光纤固定平台、宽带光源(broadband light source，BBS)、光谱分析仪(optical spectrum analyzer，OSA)、精密可控温度炉等主要设备。BBS 为自发辐射光源，光谱范围1 250 nm～1 650 nm；OSA 采用日本横河公司生产的AQ6370D，测量范围600 nm～1 700 nm，精度±0.1 nm。管式炉为合肥科晶公司生产，具有较好的温度稳定性，管内部的温度场特别稳定，温度可控。

图6 传感器温度实验装置示意图

①选择波谷Dip 1 与Dip 2 进行低温实验。调整控温程序，使温度炉温度从20 ℃到150 ℃，温度升降步长为10 ℃，每改变一次温度记录一次传感器透射谱。在每个记录点保持温度10 min 不变，然后记录保存相关的光谱数据。然后控制温度炉使温度从150 ℃到20 ℃，按照上面方法进行降温实验。

图7 为传感器透射谱中波谷Dip 1 随温度的变化图与拟合图。从图7 可以发现，随着温度上升，透射谱的谐振峰产生红移。对波谷Dip 1 的中心波长随温度的变化关系进行线性拟合，得到线性拟合度R2＝0.990 2，表明波谷Dip 1 的中心波长漂移量与环境温度之间有极好的线性关系，波谷Dip 1 的温度灵敏度为33.63 pm/℃。当温度从150 ℃降低到20 ℃时，获得相同的变化与拟合曲线。图8 为传感器透射谱中波谷Dip 2 随温度的变化图与拟合图。从图8 可以发现，随着温度上升，透射谱的谐振峰也产生红移。对波谷Dip 2 的中心波长随温度的变化关系进行线性拟合，得到线性拟合度R2＝0.994 0，表明波谷Dip 2 的中心波长漂移量与环境温度之间也有极好的线性关系，波谷Dip 2 的温度灵敏度为25.8 pm/℃。当温度从150 ℃降低到20 ℃时，获得相同的变化与拟合曲线。因此能够采用波长调制解调法测量环境温度。与文献[4－5]的光纤干涉仪温度传感器相比，传感器的温度灵敏度提高了近2 倍。

图7 波谷Dip 1 的中心波长随温度的变化图与拟合图

图8 波谷Dip 2 的中心波长随温度的变化图与拟合图

②选择波谷Dip 3 进行高温实验。调整控温程序，使温度炉温度从150 ℃到500 ℃，温度升降步长为50 ℃～100 ℃，每改变一次温度记录一次传感器透射谱。在每个记录点保持温度10 min 不变，然后记录保存相关的光谱数据。然后控制温度炉使温度从500 ℃到150 ℃，按照上面方法进行降温实验。

图9 为传感器透射谱中波谷Dip 3 随温度的变化图与拟合图。从图9 可以发现，随着温度上升，透射谱谐振峰产生红移。对波谷Dip 3 的中心波长随温度的变化关系进行线性拟合，得到线性拟合度R2＝0.973 6，表明波谷Dip 3 的中心波长漂移量与环境温度之间有较好的线性关系，波谷Dip 3 的温度灵敏度为23.4 pm/℃。当温度下降时获得相同的变化与拟合曲线。在实验中发现当温度超过500 ℃时，传感器结构发出焦味、变形严重，温度无法再增加，说明光纤拉锥以后承受高温能力会变差。另外，高温时拟合的线性度稍低，但温度灵敏度基本与低温的相近。因此能够采用传感器来测量低于500 ℃的环境温度。

图9 波谷Dip 3 的中心波长在高温时的变化图与拟合图

2.2 折射率实验

折射率实验装置图如图10 所示，传感器输入端接宽带光源，输出端接光谱分析仪。传感器两端用光纤夹持器固定使其处于拉直状态，传感头浸没在水槽溶液内。采用不同浓度的蔗糖溶液来进行折射率实验研究，不同的蔗糖浓度可以依据经验公式换算为不同的折射率。在实验前，用蒸馏水把水槽清洗干净，确保无其他成分的折射率干扰实验测量结果。在实验时，将配制好的蔗糖溶液注入水槽中使传感头完全浸没，等待约2 min，待光谱稳定以后记录数据。每次测量后，利用蒸馏水和无水乙醇对水槽和传感头进行清洗，清洗干净后再注入其他浓度的蔗糖溶液进行实验。按照上面步骤完成所有折射率测量实验。

图10 传感器折射率实验装置示意图

图11 为传感器透射谱中波谷Dip 1 随折射率的变化图与拟合图。从图11 可以发现，对于波谷Dip 1，随着折射率增大，谐振峰蓝移。当蔗糖溶液折射率发生变化时，中心波长随折射率线性变化，线性拟合度R2＝0.986 1，折射率灵敏度达到－135 nm/RIU(RIU 为refractive endex unit 的缩写)。

图11 波谷Dip 1 的中心波长随折射率的变化图与拟合图

图12 为传感器透射谱中波谷Dip 2 随折射率的变化图与拟合图。从图12 可以发现，对于波谷Dip 2，随着折射率增大，谐振峰蓝移。当蔗糖溶液折射率发生变化，中心波长随折射率线性变化，线性拟合度R2＝0.976 6，折射率灵敏度达到－80.29 nm/RIU。因此也可以采用波长调制解调法测量外界折射率。与文献[19]相比较，由于细芯光纤被拉锥，传感器的折射率灵敏度提高了2 倍多。

图12 波谷Dip 2 的中心波长随折射率的变化图与拟合图

2.3 双参量同时测量分析

以上分别研究了传感器的温度与折射率特性，结果表明随着环境温度与折射率变化，传感器透射谱谐振峰波谷的中心波长线性漂移。选择传感器谐振峰波谷Dip 1 与Dip 2 的低温灵敏度与折射率灵敏度来构建传输矩阵，能够完成温度与折射率的在线同时测量，避免交叉敏感。设传感器波谷Dip 1 与Dip 2 的中心波长分别为λ1和λ2，当环境温度与折射率均发生变化时，会同时影响到波谷Dip 1 与Dip 2 的中心波长发生漂移。设Δλ1和Δλ2分别为两个中心波长的漂移量，ΔT为环境温度变化量，Δn为外界折射率变化量，α1和α2分别为Dip 1 与Dip 2 的温度灵敏度，β1和β2分别为Dip 1 与Dip 2 的折射率灵敏度。实验测得α1＝33.63 pm/℃，α2＝25.8 pm/℃，β1＝－135 nm/RIU，β2＝－80.29 nm/RIU，根据矩阵理论，可得矩阵[19]:

对矩阵(3)求逆矩阵得到测量的温度与折射率值。

3 结论

基于马赫－则德尔干涉原理，设计了一款多参量测量光纤传感器。传感器由单模光纤、无芯光纤、细芯光纤等几种不同光纤拼接而成，利用大芯径多功能熔接机对传感器中的细芯光纤进行了拉锥，提高了传感器的折射率灵敏度。通过研究传感器透射谱与环境温度和折射率之间的变化关系，完成了温度与折射率的双参量同时测量，获得了较高的测量灵敏度，消除了交叉敏感。设计的传感器尺寸小、结构简易、制作容易、灵敏度较高、结构重复性好，在生物、化学和医学等领域具有一定的应用价值。