萨格纳克干涉仪级联的高灵敏度温度传感器

申万梅,江 超,郭小珊,黄会玲,李 宏

(湖北师范大学物理与电子科学学院,湖北 黄石 435002)

1 引 言

光纤温度传感器由于结构紧凑,灵敏度高,抗干扰能力强,响应速度快,损耗低等特点而引起了人们的广泛研究。常见的光纤干涉仪型温度传感器有Mach-Zehnder干涉仪型[1-2],Fabey-Perot干涉仪型[3-4],Michelson干涉仪型[5]和Sagnac干涉仪型[6-8]等,这些温度传感器能够广泛应用于通信传输、建筑行业、航空航天和海洋研究等领域。然而干涉仪型温度传感器的灵敏度和线性拟合度会受到光纤内部结构特性的限制,灵敏度一般较低。游标效应(Vernier-effect)是提高测量仪器灵敏度的有效方法,并且广泛用于游标卡尺和气压计中。近年来,人们通过使用两个干涉仪分别作为游标效应的固定和滑动部分应用于光纤传感器中,发明了具有增强灵敏度的游标效应光纤传感器[9-11]。这种游标效应也可以用于光纤温度传感器中,例如,通过两个Fabey-Perot干涉仪级联构成的高灵敏度温度传感器[12-15],Mach-Zehnder干涉仪级联构成的高灵敏度温度传感器[16],Michelson干涉仪构成的高灵敏度温度传感器[17]等。尤其是利用Sagnac干涉仪(SI)构成的游标效应温度传感器,获得的温度灵敏度更高[18-21],刘等人利用光子晶体光纤SI形成游标效应获得极高的温度灵敏度[18]；杨等人利用一个SI和一个F-P腔级联获得极高温度灵敏度[19]；丁等人利用两个高双折射率的光纤环级联构成灵敏度极高的温度传感器[20]；邵等人利用两个SI级联使温度灵敏度得到极大的提升[21]。本文利用两段熊猫光纤直接错位连接形成两个SI的级联产生游标效应,该传感器的干涉谱有较好的包络线,提取的包络线光滑平整,利用包络线随温度的变化进行温度测量。与传统的单个SI温度传感器相比,两个SI级联构成的传感器温度灵敏度提高了十几倍。提出的传感器结构简单,制作容易,成本低,灵敏度高,在市场上有一定的应用前景。

2 传感器结构和传感原理

2.1 传感器结构

提出的温度传感器结构如图1所示,它由一个宽带光源(broad band source,BBS)、一个光谱分析仪(optical spectral analyzer,OSA)、一个3 dB的2×2耦合器、及两段保偏光纤(PMF)构成的SI1和SI2组成。BBS为北京康冠世纪光电科技有限公司生产的低偏振超宽带光源,型号为FL-ASE-EB-D-2-2-FC/APC,波长范围为1250～1650 nm。OSA为日本横河公司生产的AQ6370D,波长扫描范围为600～1700 nm,光谱最小分辨率为0.05 nm。这里选择熊猫光纤作为PMF,依据两个SI级联产生游标效应的条件,在我们设计的传感器中,SI1中PMF1长度取191 cm,SI2中PMF2长度取199 cm,选择左侧SI1作为传感单元,右侧SI2作为参考滤波器。当两个SI级联时,在熔接点两段PMF旋转一个角度再熔接,即使两段PMF中的快轴(或者慢轴)旋转一个角度再熔接,确保该结构是两个不同的SI级联,而不是构成一个SI。在进行温度测量时,把传感单元SI1放入温度炉中进行实验,而参考单元SI2可以不用放入温度炉中。

图1 两个SI级联的传感器结构Fig.1 Sensor structure consisting of two SIs cascading

2.2 传感原理分析

在图1中,从BBS输出的光到达3 dB耦合器时,将输入光均等的分为两个反向传播光束,因为PMF中存在快轴和慢轴,当光通过第一个PMF1时产生光程差,再经过PMF2又产生光程差,则输出总光谱T可以表示为[17,18]:

T=[cos(φ1+φ2)cosθ+cos(φ1-φ2)sinθ]2

(1)

其中,φ1=2πBL1/λ,φ2=2πBL2/λ是光经过两个PMF的相位差；θ表示两个PMF快轴(或者慢轴)之间的夹角。则两个SI的自由光谱范围(free spectral range,FSR)可以求得:

(2)

其中,B是PMF的双折射率;λ是输入的光波长;L1和L2分别是PMF1和PMF2的长度。那么当SI1与SI2级联时,如果FSR1≈FSR2,那么SI1与SI2叠加形成的包络线的FSR(或周期)可以表示为:

(3)

在实验中,可以通过控制两个SI的长度L来获得理想的FSR。在传感器中,SI1被作为传感部分,SI2被作为固定参考部分,因此当外界温度变化导致传感部分SI1干涉光谱的波长漂移,由于级联的游标效应,将会导致整个光谱包络线产生大的漂移,包络漂移的增强因子M可以用下式表示:

(4)

则利用传感器游标效应产生的包络波长的漂移量是单个SI1波谷波长漂移量的M倍:

(5)

因此,利用包络波长漂移量测量温度的灵敏度为单个SI1测量温度的M倍:ST=MS1。这就是我们利用SI1与SI2级联产生游标效应放大温度灵敏度的理论基础。

3 实验结果与讨论

3.1 传感器的干涉谱

图2为常温下SI1和SI2的干涉光谱图,在波长范围1530～1570 nm之间,两个SI的干涉谱分布均匀,具有很好的周期性,SI1和SI2对应的FSR分别为3.2 nm和3.0 nm,常温下PMF的双折射率B为4.0×10-4。

图2 SI1和SI2的光谱图Fig.2 The spectrum of SI1 and SI2

图3为常温下SI1和SI2级联之后形成的传感器的干涉谱,与传统的单个SI的干涉谱相比,级联之后的传感器的干涉谱出现了很好的包络,这是由于两个SI的自由光谱范围相近。从图3可以看出,传感器干涉谱的包络线周期约为53.4 nm,与该结构理论计算得到的包络周期(48 nm)相近,基本吻合。

图3 SI1与SI2级联后的传感器光谱图Fig.3 The spectrum of the sensor by SI1 cascaded with SI2

3.2 温度灵敏度

当只有单个SI1时(不接入SI2),把SI1放入温度炉中,控制温度炉的温度从40 ℃上升到80 ℃,每隔5 ℃记录一次光谱数据,在每个温度测量点,保持5分钟左右再记录数据,确保实验数据真实可靠。图4表示SI1光谱中波谷dip 1(1549 nm)随温度的变化图,从图4可以看出,随着温度的升高,SI1中dip 1的波长朝着短波长方向移动(蓝移)。图5为SI1中dip 1的波长与温度的线性拟合图,实验获得的温度灵敏度为-1.01 nm/℃,线性拟合度为 0.9916,线性度极高,温度灵敏度也较高。

图4 SI1中波谷dip 1随温度的漂移Fig.4 The dip 1shifts of the single SI1 with temperature

图5 dip 1的波长与温度之间的拟合图Fig.5 Linear fitting between the dip 1 wavelength and temperature

图6 传感器干涉谱的上包络随温度的漂移图(50 ℃→55 ℃)Fig.6 The drifts of the upper envelope peak following temperature increasing from 50 ℃ to 55 ℃

图7 上包络波峰波长与温度之间的线性拟合Fig.7 Linear fitting between the upper envelope peak wavelength and temperature

3.3 温度测量的重复性

为了检验传感器测量的准确性和严密性,往往需要进行重复性实验,使得实验结果更具有说服力。图8是传感器两次温度实验的结果对比图,每次温度实验控制温度炉的温度从50 ℃上升到75 ℃,每步温度上升5 ℃。完成第一次温度实验后,间隔10 d,再在相同条件下重复做第二次升温实验,从图8的实验结果可以清晰的看到:第一次实验时,温度灵敏度为11.03 nm/℃,线性拟合度为0.9996；第二次实验时,灵敏度为10.77 nm/℃,线性拟合度为0.9984。两次实验的灵敏度很接近,线性拟合度都极好,随着温度的上升,波长呈现极好的线性变化。由此可以说明两个 SI 级联构成的传感结构重复性好,实验数据可靠。

图8 传感器两次温度实验的对比图Fig.8 Comparison diagram of two sensor temperature experiments

3.4 温度测量的稳定性

图9为传感器的稳定性测试结果。控制温度炉的温度保持在55 ℃不变,设置实验时间为80 min,每间隔10 min记录一次数据。实验选择温度为55 ℃时,传感器干涉谱上包络波峰波长1552 nm为研究对象,观察它随随时间变化的漂移情况。实验结果表明:当外界温度保持不变时,传感器考察点的波长和强度保持相对稳定,波长最大波动值为 0.8 nm,利用温度测量灵敏度可以计算测量温度的误差为0.07 ℃(0.8/11.03=0.07 ℃)。实验结果表明传感器的测量误差很小,该传感器结构稳定性很好。

图9 传感器的温度稳定性实验结果Fig.9 The experiment results of the sensor measuring temperature at 80 min

4 结 论

本文提出了一种基于游标效应的新型温度传感器。该传感器的游标效应是由两个自由光谱范围相近的SI级联实现的,选择SI1作为传感部分,SI2作为参考滤波部分。实验结果表明:利用级联形成的包络线来测量温度,获得很高的温度灵敏度(11.03 nm/℃),它比单个SI1单独测量温度的灵敏度(-1.01 nm/℃)高出10.9倍,说明传感器对温度灵敏度有明显的放大作用。并且该传感器的温度重复性高,稳定性好,测量误差小,实验结果与理论分析大致一致,它在市场上有一定的推广应用价值。