基于保偏光纖快軸方向纖芯錯位熔接的液位傳感器研究

王　超， 董新永， 陳德寶， 沈常宇

(中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于保偏光纖快軸方向纖芯錯位熔接的液位傳感器研究

王超， 董新永， 陳德寶， 沈常宇

(中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要:提出了一種基于保偏光纖(PMF)快軸方向纖芯錯位熔接的內(nèi)嵌式Mach-Zender干涉(MZI)型液位傳感器,對PMF的纖芯錯位方向和PMF的長度分別進(jìn)行了研究討論,干涉光譜的光程差受到浸入液體中的保偏光纖長度與處在空氣中的PMF長度兩者比例變化的影響。液位實驗結(jié)果得出：傳感器對應(yīng)的波長漂移和強(qiáng)度衰減靈敏度分別為-495.6 pm/mm，0.22 dB/mm。

關(guān)鍵詞：液位； 保偏光纖； 馬赫曾德干涉儀

0引言

較之傳統(tǒng)的電學(xué)類型傳感器，光纖液位傳感器受益于其抗電磁干擾、易于制作、抗腐蝕及高靈敏度和易于實現(xiàn)遙測遙感等優(yōu)點，因此,研究光纖液位傳感器具有很大的實際意義[1,2]。

本文提出了一種使用保偏光纖(polarization maintaining fiber,PMF)快軸方向纖芯錯位熔接方式制作內(nèi)嵌式馬赫曾德干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)全光纖液位傳感器的方法。傳感器的主體結(jié)構(gòu)由一段25 mm的PMF和兩段普通單模光纖(SMF—28)組成，纖芯錯位結(jié)構(gòu)使得雙光束干涉形成，通過對干涉光譜進(jìn)行解調(diào)得到其對應(yīng)的波長漂移和強(qiáng)度衰減靈敏度。該方法制作過程相對簡單，成本較低，具有很好的研究價值。

1實驗部分

內(nèi)嵌式光纖MZI是在同一根光纖內(nèi)實現(xiàn)了對傳感光路和參考光路的制作，即將光纖纖芯和包層各自當(dāng)做是參考臂和探測臂，這種干涉結(jié)構(gòu)的制作方法相對簡單，并且更大程度地減少了兩條光路之間的干擾因素帶來的影響。

圖1給出了液位實驗的原理裝置圖，實驗中采用帶寬在1 450～1 650 nm波段的寬帶光源，級聯(lián)一個起偏器和偏振控制器來控制輸入光的偏振態(tài)，通過調(diào)節(jié)輸入光的偏振狀態(tài)可以獲得最佳的條紋對比度。將上述液位傳感結(jié)構(gòu)固定在標(biāo)有刻度的容器壁上，傳感結(jié)構(gòu)的底端與液位平齊并記錄下此時的光譜作為參考光譜，最后經(jīng)過液位信息調(diào)制的輸出光的信息通過光譜儀(AQ6370,Advantest)進(jìn)行解調(diào)而獲得液位變化。傳感結(jié)構(gòu)采用長度為25 mm的PMF(熊貓型，雙折率系數(shù)7.702 4×10-4)與兩段單模光纖SMF1，SMF2分別進(jìn)行沿快軸方向的錯位熔接(Fujikura FSM—40S)。纖芯錯位偏移量的大小為4.5 μm，PMF和SMF的纖芯及包層直徑均為9 μm和125 μm。錯位結(jié)構(gòu)熔接制作完成后，采用氫氟酸(4 %)腐蝕的方法對PMF部分進(jìn)行約2 h的包層腐蝕，使得包層模倏逝波更易接觸被測液體。沿著PMF快軸方向的纖芯錯位熔接實現(xiàn)了對包層模式的激發(fā)[3～5]，腐蝕PMF包層進(jìn)一步提高了傳感器的靈敏度。

圖1　液位傳感實驗裝置與錯位結(jié)構(gòu)局部放大示意圖Fig 1　Diagram of liquid level sensing experimentaldevice and partial enlargement of offset structure

PMF的相互垂直的兩個軸擁有不同的折射率調(diào)制大小，即快軸和慢軸，光波傳播速度較快的軸定義快軸。因此，不同的纖芯錯位方向也會影響干涉光譜的變化，由此對三種不同纖芯錯位方向進(jìn)行了實驗探究，如圖2所示，三種錯位方向分別為沿PMF快軸方向、沿PMF慢軸方向及沿PMF快慢軸之間夾角45°方向。本文認(rèn)為熔接點的錯位方向?qū)鈴膯文９饫w進(jìn)入保偏光纖后在快慢軸之間的分配具有較大影響：當(dāng)錯位對準(zhǔn)方向完全沿著PMF的快軸或慢軸方向時，絕大部分的光會沿PMF的快軸或慢軸方向傳輸；當(dāng)錯位對準(zhǔn)方向為45°角方向時，光會在快軸和慢軸兩個方向上產(chǎn)生比較接近的分布，而快慢軸方向上光的折射率稍有不同，導(dǎo)致所形成MZI的光程差不一致，降低了其干涉強(qiáng)度(即干涉條紋的對比度)。因此，采取沿PMF快軸方向的纖芯錯位方式制作得到了一種光纖MZI干涉儀。此外，不同的纖芯錯位偏移量大小也直接影響了干涉條紋的變化。干涉條紋的對比度定義為

(1)

式中Icore和Iclad分別為PMF纖芯模能量和包層模能量，當(dāng)二者的比例為1∶1時對比度達(dá)到其最大值，所以，為了實現(xiàn)光能量在纖芯和包層中的均勻分布，選取纖芯錯位偏移量大小為4.5 μm(纖芯直徑為9 μm)。

圖2　三種不同方向纖芯錯位對比示意圖Fig 2　Comparison of three different directions of core-offset

干涉光譜會隨著纖芯模和包層模之間相位差的大小變化而發(fā)生不同，當(dāng)二者之間的相位差為2m+1時，干涉峰的波長大小為[6]

(2)

式(2)中，當(dāng)m取值固定時，干涉臂長度發(fā)生變化以及纖芯導(dǎo)模和包層模式之間有效折射率差值大小的變化都會引起發(fā)生變化，同時，對式(2)進(jìn)一步變化可以得出自由光譜范圍(free spectrum range,FSR)的表達(dá)式為

(3)

式(3)表明，當(dāng)纖芯導(dǎo)模和包層模式之間的折射率差值大小保持固定不變時，自由光譜范圍FSR的大小取決于干涉臂長L的大小，當(dāng)L逐漸增加時，F(xiàn)SR則逐漸降低，兩者為反比例關(guān)系。實驗中，當(dāng)選擇使用的PMF長度較長時，可以有效地增加液位傳感器的量程，然而，由于包層中的光能量因散射、吸收等因素而不能在包層中傳輸很長距離，所以，MF的長度也不宜過長，為了選取合適的長度，也對此進(jìn)行了實驗探究。在纖芯錯位偏移量大小固定為4.5 μm前提下，選取了長度為15,25,30,35 mm進(jìn)行了干涉光譜的對比實驗，隨著PMF長度的增加，F(xiàn)SR逐漸減小，當(dāng)PMF長度在25 mm時，干涉峰的對比度達(dá)到最大，且其FSR適合對光譜圖進(jìn)行分析。

2實驗結(jié)果與分析

當(dāng)寬帶光源輸出的入射光波經(jīng)過起偏器和偏振控制器的適當(dāng)調(diào)節(jié)后進(jìn)入左端的單模光纖SMF1到達(dá)上述內(nèi)嵌式PMF干涉儀的分束端面時，由于分束端的單模光纖和PMF之間采用的是纖芯錯位熔接的方式，所以,入射光部分被耦合進(jìn)入PMF的包層中成為高階包層模式，剩余部分仍然在纖芯內(nèi)繼續(xù)沿軸向傳輸。合束端面的PMF與單模光纖SMF2采用了與分束端面相同的錯位結(jié)構(gòu)，包層模在到達(dá)合束端錯位熔接端面時，又部分被耦合會纖芯當(dāng)中，包層和纖芯對應(yīng)的有效折射率存在的大小差異，因而，使得此時包層模和纖芯模之間產(chǎn)生了一個固定相位差，兩束光因符合相干條件而在合束端發(fā)生干涉，并且由于包層模所處的環(huán)境為包層和液體交界面，液體環(huán)境通常能造成包層模的有效折射率大小產(chǎn)生改變，即輸出光信息中存在了液位變化的因素。下面將在此基礎(chǔ)上利用雙光束干涉原理對液位測量的具體原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

當(dāng)進(jìn)行液位測量時，傳感臂PMF一部分浸入液體內(nèi)，一部分仍然處在空氣當(dāng)中，包層模有效折射率受到周圍液體和空氣環(huán)境的影響而變化(位于纖芯內(nèi)傳輸?shù)膶?dǎo)模沒有受到周圍液體的干擾而保持穩(wěn)定)，所以，相位差的大小可以表示為[7]

(4)

(5)

這兩部分的共同作用下，所得到的波峰表達(dá)式可以表示為

(6)

式中第一部分可以理解為空氣中纖芯導(dǎo)模和包層模式對干涉的貢獻(xiàn)大小;第二部分則可以理解為液體中二者對干涉光譜的貢獻(xiàn)大小。L-Lliquid,Liquid分別表示傳感臂在空氣中的長度和傳感臂浸入液體中的長度，隨著液位的上升，Lliquid逐漸增大，L-Lliquid隨之變小，式(6)中第一部分對干涉的貢獻(xiàn)隨之變?nèi)醵诙糠謱Ω缮娴呢暙I(xiàn)變強(qiáng)，又由于液體有效折射率大于空氣有效折射率，從而使得Δneff>Δneff,liquid，所以,隨著液位的不斷上升，式(6)所表示的波長逐漸減小，即干涉光譜呈現(xiàn)藍(lán)移的現(xiàn)象。

實驗中,測量記錄了液位大小變化范圍0～20 mm的干涉光譜信息，每隔2 mm記錄一次光譜信息，最終得到了圖3所示的干涉光譜。圖中光譜信息變化顯示，隨著液位的不斷上升，干涉光譜出現(xiàn)藍(lán)移的現(xiàn)象，這與上述分析很好地保持一致。因為隨著PMF浸入液體當(dāng)中的比例不斷增加，使得式(6)所表示的第二部分在干涉現(xiàn)象當(dāng)中所占的比例不斷增加，使得諧振峰出現(xiàn)藍(lán)移。值得注意的是:除了干涉光譜藍(lán)移之外，干涉光譜同時出現(xiàn)了強(qiáng)度上的變化，這是由于隨著PMF浸入液體中的長度不斷增加，包層中的倏逝場損耗也不斷增加，從而使得包層模的強(qiáng)度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

圖3　液位測量實驗的透射光譜圖Fig 3　Transmission spectrums of liquid levelmeasurement experiment

圖4是干涉光譜波長漂移和強(qiáng)度變化的線性擬合曲線所示。隨著液位變化，得到了波長漂移與強(qiáng)度變化的靈敏度分別為-495.6 pm/mm和0.22 dB/mm。該液位傳感器所得到的傳感靈敏度相比較已報到的光纖液位傳感器而言進(jìn)一步提高，尤其是波長漂移靈敏度更加優(yōu)勢明顯。由于包層模在光纖包層的傳輸過程中會受到包層介質(zhì)及周圍環(huán)境介質(zhì)的逐漸吸收、散射等因素的影響，使得光纖包層中的光能量會逐漸減小甚至消失而不能在包層中傳播很長的距離，這也限制了所設(shè)計的內(nèi)嵌式錯位熔接保偏光纖液位傳感器測量范圍的提高，從而使得這類光纖液位傳感器應(yīng)用范圍局限在液位變化相對較小的范圍使用的時候優(yōu)勢才會更加明顯，如若應(yīng)用在液位變化范圍比較大的領(lǐng)域可以采取多個傳感臂平行并聯(lián)的方式來增加傳感器的測量范圍。

圖4　干涉光譜的線性擬合Fig 4　Linear fitting of interference spectrums

實驗中，液位測量的過程是在室溫環(huán)境(25 ℃)中進(jìn)行的，為了進(jìn)一步了解所述液位傳感器的溫度特性，在圖5中具體給出了其進(jìn)行了溫度特性分析情況。為了減少液位信息變化帶來的影響，溫度實驗選擇在溫控箱中進(jìn)行，每間隔10 ℃記錄一次，對干涉光譜在溫度變化范圍20～100 ℃間進(jìn)行了測量,并且得到了其溫度靈敏度系數(shù)為13 pm/℃。

圖5　溫度特性線性擬合Fig 5　Linear fitting of temperature characteristics

3結(jié)論

本文利用沿著PMF纖芯快軸方向錯位熔接的方式完成了一種內(nèi)嵌式MZ干涉式液位傳感器的設(shè)計及實驗分析。通過對纖芯錯位方向和PMF長度的實驗對比完成了

對液位傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，確定了最終的纖芯錯位方向及偏移量大小分別為快軸方向和4.5 μm，選取的PMF長度大小為25 mm。通過干涉儀分束端的錯位結(jié)構(gòu)激發(fā)產(chǎn)生的包層模作為探測信號對液位信息的變化進(jìn)行感知探測，合束端面的纖芯導(dǎo)模和低階包層模產(chǎn)生雙光束干涉。由于PMF處于兩種不同折射率環(huán)境中，此兩種環(huán)境中PMF長度所占比例的變化引起干涉光束光程差的改變。最后通過實驗數(shù)據(jù)分析得出：其波長漂移和光強(qiáng)變化對應(yīng)靈敏度各自為-495.6 pm/mm和0.22 dB/mm，溫度靈敏系數(shù)約為13 pm/℃，在微液位測量領(lǐng)域有較大研究價值。

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Research on liquid level sensor based on optical core-offset fusion splicing method along fast-axis of PMF

WANG Chao, DONG Xin-yong, CHEN De-bao, SHEN Chang-yu

(College of Optical and Electronic Technology，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Abstract:A embedded Mach-Zehnder interference(MZI) type liquid level sensor based on polarization maintaining fiber(PMF) core-offset fusion splicing along fast-axis is proposed,core-offset orientation and length of PMF are researched and discussed respectively,optical path difference of MZI is influenced by length of PMF immerged in liquid and length of PMF in air.Wavelength shifts and intensity attenuation sensitivity are -495.6 pm/mm and 0.22 dB/mm,respectively,corresponding to sensor obtained by liquid level experimental result.

Key words:liquid level; polarization maintaining fiber(PMF); Mach-Zehnder interferometer(MZI)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0042—03

收稿日期：2015—08—17

中圖分類號：TN 252

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)04—0042—03

作者簡介:

王超(1989-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器。

董新永,通訊作者， E—mail:xydong @cjlu.edu.cn。