李 冰，朱建軍，康 勝，肖才遠(yuǎn)

(1.鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450064；2.邵陽學(xué)院藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南邵陽 422000；3.邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南邵陽 422000)

0 引言

光纖傳感器在工農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療及科技等方面起著重要作用[1-2]。尤其近些年來，光纖傳感器廣泛應(yīng)用于測量應(yīng)力與折射率，如基于光柵的光纖傳感器[3-4]、基于光子晶體的光纖傳感器(PCF)[5-6]、基于邁克耳孫光纖干涉儀[7]及其他基于微結(jié)構(gòu)的光纖傳感器[8-9]。2012年，F(xiàn). Xu等[10]研制了基于光子晶體的應(yīng)變傳感器，經(jīng)過實驗測量，其對外界發(fā)生的應(yīng)變感知靈敏度為3.02 pm/με；2015年，北京交通大學(xué)實驗室[11]基于雙芯光纖研究了用于測量溫度與應(yīng)力的全光纖型傳感系統(tǒng)，經(jīng)過測量，其靈敏度可達(dá)1.25 pm/με；2016年，裴麗教授[12]基于大直徑光纖錐研究出了以干涉儀作為濾波器的應(yīng)力傳感器，實驗結(jié)果顯示在波長1557 nm附近，其研制的傳感器敏感度可達(dá)3 pm/με；2014年，天津理工大學(xué)曹曄等[13]以RIU為單位折射率設(shè)計并制作了多模光纖傳感器，經(jīng)過測量其靈敏度為32.2×103pm/RIU；2016年，西安石油大學(xué)的傅海威等[14]以化學(xué)腐蝕為方法研制了靈敏度可達(dá)216.21 dB/RIU的液體折射率傳感器；后來劉穎剛等[15]又研制出了基于Bragg光柵且折射率靈敏度可達(dá)14.41×103pm/RIU的光纖傳感器。但是以上這些傳感器的制作工藝非常復(fù)雜、靈敏度一般且費用較高，不適合大批量生產(chǎn)。

由于海豹的胡須呈現(xiàn)出一個弧形，當(dāng)周邊的動物游過產(chǎn)生尾波時,它的胡須會發(fā)生顫動，這種顫動會使海豹能夠判斷出要捕獵對象的大小、形狀，以及所經(jīng)過的路徑。因此，本文以海豹胡須為靈感，基于以上分析本文以MZI為原理，以偏芯熔接為構(gòu)造方法，以光纖包層模和纖芯模對應(yīng)力、折射率的敏感特性為機(jī)理，研制了可用于測量應(yīng)力和折射率的新型光纖傳感器。當(dāng)外界施加不同的應(yīng)力及測量不同濃度的甘油水時，傳感器干涉光譜的波長都靠近短波移動，應(yīng)力和折射率的靈敏度分別為7.00 pm/με和55.223×103pm/RIU，本文制作的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低且靈敏度較高，可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計及原理

本文研究的用于應(yīng)力和折射率測量的新型光纖傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。其由3段型號為SMF-28e(SMF)的單模光纖組成，其中光纖的纖芯直徑是8.2 μm，包層直徑是125 μm，可通過偏芯熔接的方法實現(xiàn)模間干涉。光信號傳輸?shù)姆绞綖椋菏紫裙庑盘枏腟MF的纖芯進(jìn)入，然后激發(fā)的部分纖芯模經(jīng)過SMF1的纖芯傳輸至SMF，而其他纖芯模進(jìn)入包層進(jìn)行耦合后激發(fā)出包層模。當(dāng)所有模式傳輸至熔接點A2時，纖芯模不但相互耦合還與包層模耦合，這就導(dǎo)致所有的能量重新分配后引起干涉谷的生成。盡管許多的模式在SMF1包層中被激發(fā)，但包層模具有主次要之分，處于主要地位的包層模與纖芯模發(fā)生干涉后產(chǎn)生干涉光譜；處于次要地位的包層模也會和纖芯模發(fā)生干涉，但這種干涉不會產(chǎn)生光譜，其只對產(chǎn)生的光譜進(jìn)行有效的調(diào)制。

圖1 新型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及光信號傳輸方式

光纖SMF1的輸出端總光強(qiáng)I表示為

I=I1+I2+2I1I2cos(2πLΔn/λ)

(1)

式中：I1為SMF1中纖芯的光強(qiáng)；I2為SMF1中包層的光強(qiáng);Δn為兩者的有效折射率差；λ為中心波長；L為光纖的長度。

當(dāng)傳輸譜中的信號幅度為最小值時，其對應(yīng)的位置滿足π的奇數(shù)倍，如式(2)所示：

2m+1=2LΔn/λ

(2)

由式(2)可得濾波器相鄰波谷為

|Δλ|=λ2/LΔn

(3)

由式(3)可得，光纖的長度、中心波長及纖芯與包層的有效折射率差同時對濾波器相鄰波谷的波長間隔有一定的影響。

SMF1的長度會隨受到的應(yīng)力產(chǎn)生細(xì)小的變化。由于純石英構(gòu)成包層的彈光系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摻鍺石英纖芯的彈光系數(shù)，這就導(dǎo)致兩者之間的有效折射率差大大減小，同時會對傳輸譜線造成一定的影響。輸出波長的變化量在溫度不變時可用式(4)表示[16]：

Δλ/λ=-(1+2ν+pe)ε

(4)

式中：ν和pe分別為光纖的泊松系數(shù)與有效彈光系數(shù)；ε為其單位長度的形變量。

由式(4)可得，透射光譜曲線在存在軸向應(yīng)力的情況下沿著短波移動。

SMF1的包層與其周圍環(huán)境的折射率成正比關(guān)系，但纖芯具備相對較小的直徑，使其不會隨著外界環(huán)境折射率的變化而變化。對式(2)的折射率求導(dǎo)后可得式(5)，如下：

(5)

其中(?Δn)/(?n)<0，所以(?λ)/(?n)<0，這就很好地解釋了為什么環(huán)境折射率增加時，傳感器譜線干涉谷處的波長會沿著短波方向移動。

根據(jù)上述設(shè)計思想及理論推導(dǎo)，本文設(shè)計的傳感器測試系統(tǒng)如圖2所示，主要包括寬譜光源、傳感器、測試平臺以及光譜分析儀。

圖2 設(shè)計的光纖傳感器的測試系統(tǒng)示意圖

2 實驗結(jié)果與討論

實驗中，為了確定光纖纖芯偏移量和干涉消光比的關(guān)系，我們制備了一批長度和偏移量均各異的偏芯光纖濾波器。如圖3(a)為實驗結(jié)果，當(dāng)SMF1長度一定時，干涉達(dá)到最大所對應(yīng)的偏移量為6 μm，這時具有最明顯的干涉現(xiàn)象。以1 545 nm左右2個透射波谷為參考點，對不同長度SMF1的光譜(FSR)進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖 3(b)所示。從圖3(b)可以看出，SMF1長度L越長，F(xiàn)SR的值越小，也就是說，1/L越大，F(xiàn)SR值也越大，兩者呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方達(dá)到了0.983 4，具有非常好的擬合效果，且與上節(jié)的理論推導(dǎo)結(jié)果一致。值得注意的是，SMF1不宜過長和過短，因為過長會導(dǎo)致較大的損耗，過短會導(dǎo)致FSR太寬影響測試結(jié)果。因此，綜合考慮最后設(shè)計的偏芯熔接光纖的偏移量dco為6 μm，長度L為4 cm。

(a)SMF1纖芯偏移量與消光比的關(guān)系

(b)FSR與1/L的關(guān)系圖3 實驗結(jié)果

制作的光纖傳感器如圖4所示，將傳感器放置于室內(nèi)一段時間，其產(chǎn)生的近紅外透射光譜如圖5所示。由圖5可以看出，本文制作的傳感器具有較好的干涉消光與FSR，且基本不存在損耗。分別選取1 570 nm和1 585 nm附近的波谷對傳感器的應(yīng)力和折射率特性進(jìn)行分析，實驗中的可移動平臺溫度不變，始終保持20 ℃，然后應(yīng)力從0開始增加，每次增加的步進(jìn)為100 με，增加至500 με停止。

圖4 制作的光纖傳感器

圖5 光纖傳感器近紅外透射光譜圖

(a)光纖傳感器應(yīng)力透射圖

(b)特征波長干涉谷與應(yīng)力的關(guān)系圖6 實驗結(jié)果

光纖傳感器透射光譜波峰/波谷隨著應(yīng)力的增加沿著短波方向偏移。實驗結(jié)果如圖6(a)所示，在應(yīng)力增加的范圍內(nèi)，波長大約偏移了3.5 nm，和上節(jié)理論分析中的式(3)、式(4)結(jié)果吻合。經(jīng)過多次的重復(fù)測試后發(fā)現(xiàn)，本文研制的傳感器具備良好的應(yīng)力響應(yīng)特性。1.585 μm附近的波谷隨著應(yīng)力變化而發(fā)生的曲線變化如圖6(b)所示。本文研制的傳感器的應(yīng)力靈敏度更高，可達(dá)7.00 pm/με。除此之外，波谷波長的偏移量與應(yīng)力的線性良好，其相關(guān)系數(shù)平方達(dá)到了0.997 7，具有非常好的擬合效果。

我們配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0～50%的甘油水溶液對本文研制的光纖傳感器的折射率進(jìn)行了分析。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)溫度不變時，甘油水溶液的折射率與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比關(guān)系，0～50%的溶液對應(yīng)的折射率為1.332～1.398 RIU。

(a)傳感器在不同折射率溶液中的光譜圖

(b)特征波長干涉谷與折射率的關(guān)系圖7 實驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文以MZI為基本原理，設(shè)計并制作了新型的具有高靈敏度的單模光纖偏芯結(jié)構(gòu)光纖傳感器。然后以1.585 μm和1.570 μm兩處的干涉谷為例對傳感器的應(yīng)力和折射率進(jìn)行了測量與分析。實驗結(jié)果表明：本文研制的傳感器的干涉谷的波長變化和應(yīng)力、折射率存在非常好的線性關(guān)系，當(dāng)施加的應(yīng)力為0～500 με時，其透射光譜隨著應(yīng)力的增加向短波方向偏移，經(jīng)過計算測量的應(yīng)力靈敏度可達(dá)7.00 pm/με。當(dāng)折射率為1.332～1.398 RIU時，傳感器的透射光譜隨著溶液折射率的增大而向短波長方向偏移，經(jīng)過計算得出的傳感器的折射率靈敏度為55.223 nm/RIU。本文設(shè)計和制作的光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小和高靈敏度的特點，在生物學(xué)及醫(yī)藥學(xué)有非常廣闊的應(yīng)用前景。