一種全光纖Mach-Zehnder干涉式溫度傳感器設(shè)計(jì)

宮順順+李麗君+蔣露+張艷+李文憲+徐琳

【摘要】 本文提出了一種基于全光纖馬赫-曾德?tīng)枺∕ach-Zehnder）干涉式光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)，是在單模光纖（SMF）上熔接一段30mm長(zhǎng)的細(xì)芯徑光纖，利用光纖的纖芯模和包層模對(duì)溫度靈敏度的差異，來(lái)測(cè)量在不同波長(zhǎng)處的波長(zhǎng)溫度關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中我們分別對(duì)波長(zhǎng)1531.2375nm和1544.39nm處的干涉波谷進(jìn)行測(cè)量，得到兩個(gè)波谷的溫度靈敏度分別為89pm/℃和94.7pm/℃，該溫度靈敏度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖布拉格光柵，且測(cè)試曲線呈現(xiàn)很好的線性度。該類傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫度靈敏度高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵字】 光纖傳感器 馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x 溫度

An All-Fiber Mach-Zehnder interferometer Temperature Sensor

Abstract： In this paper， an all fiber fiber temperature sensor based on Mach-Zechnder interferometer （MZI） structure is proposed and experimentally studied. The fiber sensor is constructed by a sandwiching structure with a thin core fiber as 30mm length that was spliced between two standard single mode fibers. By measurement two different interference wavelength dips at 1531.2375nm and 1544.9nm， respectively， shift with temperature， its temperature characteristics are studied. Since the effective refractive index of core modes and cladding modes are different sensitivities to the temperature， the different dips wavelength display different temperature sensitivities with 89pm/℃ and 94.7pm/℃， respectively， which much larger than that of fiber Bragg grating， and very good linearity degree.The sensor has the advantages of simple structure， high temperature sensitivity and low cost

Key words： fiber sensor； Mach-Zehnder interferometer （MZI）； temperature

一、引言

全光纖結(jié)構(gòu)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、抗腐蝕、容易制作且成本低，不易受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[1]而被廣泛應(yīng)用于溫度[2]、濕度[3]、折射率[4]、PH[5]、應(yīng)變[6]等多種物理量的測(cè)量并有著廣泛的應(yīng)用前景。早在2006年，Enbang Li 等人就不同光纖的模場(chǎng)失配在普通單模光纖之間熔接一段多模光纖進(jìn)行溫度傳感，在100℃-750℃之間得到了15pm/℃的靈敏度。而將拉錐光纖用于MZI 干涉儀則是基于單模光纖的熔融拉錐技術(shù)激發(fā)包層模式，例如P.Lu 等人將兩個(gè)拉錐光纖級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了溫度和折射率的同時(shí)測(cè)量[11]。通過(guò)在包層區(qū)域引入平行于光纖軸向的微孔陣列，形成一種新的光纖結(jié)構(gòu)，光子晶體光纖PCF。而將PCF 用于MZI 也引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，2013 年紀(jì)玉申等利用熔融拉錐PCF 構(gòu)造的MZI 干涉儀，在折射率變化范圍為1.333～1.349 時(shí)，該傳感器對(duì)于不同質(zhì)量濃度氯化鈉溶液的折射率測(cè)量靈敏度為210.075nm/RIU，在溫度測(cè)量范圍為20～70℃時(shí)，其溫度靈敏度約為1.8pm/℃，同時(shí)在測(cè)量中能夠克服溫度交叉敏感問(wèn)題[12]。光纖干涉型傳感器具有易于制造和熱穩(wěn)定性等很多優(yōu)勢(shì)，因此特別適合制作高溫傳感器。

在過(guò)去的幾年間，有很多干涉式溫度傳感器被研究出來(lái)。2005年Y.Zhu等提出了一種Fabry–Perot （FP）類型的藍(lán)寶石光纖高溫傳感器[7]，可用來(lái)測(cè)量1600度左右的高溫。但是石英在1000度以上性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，由于其成本低廉，在工業(yè)上仍用來(lái)測(cè)量900-1000度的溫度。2006年E.B.Li等人提出一種單模光纖和多模光纖混合結(jié)構(gòu)光纖邁克爾遜干涉儀[8]。2008年 Y.Jung等人制作了一種在單模光纖中加入一段空心光纖的新型馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x光纖溫度傳感器[9]。然而上述傳感器都存在溫度測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)和制作了一種新穎的基于馬赫-曾德?tīng)柛缮娴墓饫w溫度傳感器，在單模光纖（SMF）中間熔接一段30mm長(zhǎng)度的細(xì)芯光纖（TCF），形成單?！?xì)芯—單模的光纖傳感器，從而形成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x傳感結(jié)構(gòu)。對(duì)傳感器的溫度特性進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)干涉譜中波谷隨溫度的漂移情況來(lái)計(jì)算溫度靈敏度。并且對(duì)比了不同波長(zhǎng)干涉譜的溫度靈敏度，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)具有更高的溫度靈敏度系數(shù)。本文制作的光纖傳感器具有制作簡(jiǎn)便、成本低、測(cè)量結(jié)果可靠、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

二、原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在第一個(gè)單模光纖（SMF）與細(xì)芯光纖的熔接點(diǎn)處，由于內(nèi)徑模式的不匹配部分光從單模光纖的的纖芯進(jìn)入細(xì)芯光纖的包層，然后再第二個(gè)細(xì)芯光纖與單模光纖的熔接點(diǎn)處耦合回單模光纖。圖2顯示了用COMSOL模擬的光在單模-細(xì)芯-單模中傳播的示意圖，用到的細(xì)芯光纖的纖芯直徑為5um ，纖芯和包層的折射率分別為1.4457和1.4378。圖2可見(jiàn)，有一部分光場(chǎng)從單模光纖纖芯由于結(jié)構(gòu)的不匹配而進(jìn)入細(xì)芯徑光纖包層，從而激起包層模。

三、實(shí)驗(yàn)研究

3.1制作光纖傳感器

首先，取一段普通單模（SMF）和一段細(xì)芯光纖（TCF）用光纖熔接機(jī)熔接在一起，用切割刀，切出30mm的細(xì)芯光纖，另一端與普通單模光纖熔接我們的光纖溫度傳感器就制作完成了。

3.2溫度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，用夾具將傳感器拉直，并固定好，防止傳感器發(fā)生彎曲，將傳感器放入高溫老化箱中，高溫老化箱的溫度可控范圍是20-300℃，其溫度精確值是0.1℃；通過(guò)控制高溫老化箱的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感器加熱的目的。采用寬帶光源（BBS）作為輸出光源，其波長(zhǎng)范圍為1520-1610nm，用光譜儀（OSA，YokogawaAQ6370C）作為接收輸出的干涉光，其波長(zhǎng)分辨率為0.05nm。

實(shí)驗(yàn)中，溫度從20℃，逐漸增加到300℃，每次間隔為20℃，由圖4可以看出隨著外界溫度的升高，波谷由1531.9625nm漂移到1556.275 nm，當(dāng)傳感器的外界溫度升高時(shí)，小芯徑光纖包層和芯層有效折射率都會(huì)相應(yīng)增大，光纖芯層除了硅元素外還摻雜Ge，包層則主要是硅元素且沒(méi)有摻雜，導(dǎo)致芯層熱光系數(shù)比包層高。從而，當(dāng)外界溫度升高時(shí)，芯層與包層模式的有效折射率差將會(huì)增大纖芯和包層的有效折射率都會(huì)相應(yīng)的增大，干涉光譜會(huì)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，由圖5可見(jiàn)，在1531.2375nm（20℃）和1544.39nm（20℃）兩處的波谷1和波谷2的擬合系數(shù)分別為0.965和0.9937，靈敏度分別為89pm/℃和94.7pm/℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明干涉波長(zhǎng)越長(zhǎng)，溫度靈敏度越高，不同級(jí)次干涉谷的波長(zhǎng)位移量與外界溫度之間具有良好的線性關(guān)系。

此實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，通過(guò)改變光纖傳感器周圍環(huán)境溫度的方法，來(lái)改變光纖的傳輸波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的傳感，該實(shí)驗(yàn)我們重復(fù)了3 次以上，每次都能觀測(cè)到同樣結(jié)果。并且此結(jié)構(gòu)的溫度傳感器的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光纖布拉格光柵的靈敏度，同樣也是多模-細(xì)芯-多模結(jié)構(gòu)的靈敏度的兩倍，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

四、結(jié)論

綜上所述，我們提出了一種新型的干涉式光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其溫度傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。我們知道，這種傳感器的干涉譜是由纖芯模式和幾個(gè)低階包層模之間的干涉形成的。

在本文中，兩個(gè)干涉波的中心波長(zhǎng)有相同的溫度特性，隨著溫度的升高，波長(zhǎng)出現(xiàn)紅移，最高靈敏度可大94.7pm/℃。這種馬赫-曾德?tīng)柟饫w溫度傳感器具有靈敏度高，測(cè)量范圍大，制作簡(jiǎn)單和低成本的特點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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