基于光纖錐和纖芯失配的Mach-Zehnder干涉濕度傳感器?

程君妮

(榆林學院能源工程學院,榆林 719000)

1 引 言

環(huán)境相對濕度(RH)是表示空氣中絕對濕度與同溫度下飽和絕對濕度的比值.濕度測量在氣象、農林業(yè)、生物化學、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等領域中有著廣泛的應用.尤其在林業(yè)中,濕度是林火預報重要的衡量指標之一,空氣中的水分含量是森林能否燃燒以及衡量林火蔓延速度的重要參數(shù).相對濕度越大,可燃物水分吸收越快,蒸發(fā)越慢,越不容易發(fā)生火災.所以濕度的測量尤為重要[1].

相比傳統(tǒng)的電類濕度傳感器,光纖傳感器具有響應速度快、體積小等獨特優(yōu)勢,而且可以實現(xiàn)分布式測量.目前已經提出了多種不同結構的光纖濕度傳感器,包括基于法布里-珀羅原理的光纖濕度傳感器[2?5],光纖布拉格光柵(FBG)測量法[6,7]、基于Mach-Zehnder原理的光纖(MZI)濕度傳感器[8,9],長周期光纖光柵(LFPG)測量法[10]等.Shao等[11]提出一種基于單模光纖(SMF)-粗錐-SMF-粗錐-SMF結構的濕度傳感器,濕度在50%RH—90%RH范圍內,傳感器靈敏度為?0.047 nm/%RH,但傳感器制作實驗條件難以控制,同時未解決與溫度交叉靈敏問題.Mather等[12]提出基于反射式光子晶體光纖(PCF)干涉儀以測量濕度.在40%RH—70%RH濕度范圍內,傳感器靈敏度為5.6 pm/%RH.然而,該傳感器響應慢,有超過1 min的時間響應.Zhang和Tao[13]提出基于聚合物的布拉格光柵濕度傳感器.濕度在70%RH—95%RH范圍內,傳感器靈敏度為24 pm/%RH.盡管在FBG表面涂覆聚合物,對濕度顯示出非常高的敏感堵,但是響應卻很慢.Liu等[14]提出將傳感器彎成S形以測量濕度.在26.5%RH—95.2%RH范圍內,傳感器靈敏度為1.1718 nm/%RH.然而未研究傳感器被彎成不同S形時,對濕度的響應特征.Mathew等[15]提出一種基于透射式PCF干涉儀,在其表面涂覆瓊脂糖溶液以測量濕度.在14%RH—86%RH濕度范圍內,傳感器靈敏度為0.06 dB/%RH.盡管該傳感器濕度靈敏度高,但是制造工藝十分復雜.張小康等[16]提出了一種雙包層單模光纖結構傳感器,相對濕度在30%RH—100%RH范圍內傳感器光強變化接近9 dB,但是未研究聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氯乙烯不同比例混合時傳感器對濕度響應特征.張蕓山等[17]提出一種基于光纖錐級聯(lián)結構的濕度傳感器.在濕度35%RH—95%RH范圍內,該傳感器靈敏度為?0.065 dB/%RH.然而未研究級聯(lián)不同長度單模光纖的傳感器對濕度響應差異.Yeo等[18]提出往FBG表面涂覆熱塑性聚酰亞胺材料以測量濕度靈敏度,該傳感器具有秒量級響應時間.然而,FBG表面需要涂覆一層非常薄的涂層才能達到這個響應時間,從而降低了濕度靈敏度.Wu等[19]提出一種單模光纖-細芯光纖-單模光纖結構的MZI傳感器.濕度在80%RH—95%RH范圍內,傳感器透射譜波長漂移量大,但測量范圍受到限制.

本文提出了一種單模光纖-光纖錐-多模漸變光纖-色散補償光纖-多模漸變光纖-光纖錐-單模光纖結構的MZI濕度傳感器.通過利用恒溫恒濕試驗機改變傳感器外界環(huán)境濕度,引起傳感器透射光譜發(fā)生變化.并通過實驗研究了溫度對傳感器透射譜的影響.實驗結果表明該傳感器靈敏度高、制作簡單且易封裝,因而具有用于測量濕度的潛在價值.

2 傳感器制作和理論分析

圖1為傳感器結構示意圖.該傳感器是由商業(yè)熔接機制造.使用剝線鉗去除漸變折射率多模光纖(GI MMF)涂覆層,用蘸有酒精的棉花反復擦洗,用光纖切刀將其切成兩部分.將準備好的一部分GI MMF和SMF放入熔接機,在顯微鏡下調節(jié)成一條直線,調節(jié)熔接機參數(shù)并選擇單模-多模(SM-MM)熔接程序,得到SM-GI MM光纖錐.經過多次錯誤調試和嘗試,得到熔接光纖錐最優(yōu)參數(shù).設定的參數(shù)如下:首次放電強度+150,首次放電結束強度+120,預熔時間為300 ms,首次放電時間為1600 ms,Z推進距離為180μm.按照同樣的方法和熔接參數(shù),得到另一個光纖錐.一段去除涂覆層的色散補償光纖(DCF)熔接在兩個GI MMF之間,構成了單模光纖-光纖錐-多模漸變光纖-色散補償光纖-多模漸變光纖-光纖錐-單模光纖結構的MZI傳感器.

圖1 傳感器結構示意圖Fig.1.Schematic diagram of the proposed sensing.

圖2(a)為使用該熔接參數(shù)制作的光纖錐實物照片.經過多次實驗,得到的光纖錐長度維持在372—396μm范圍內,直徑在160—172μm范圍內變化,且重復性較好.相比較標準SM和GI MM光纖(直徑125μm),被制造的光纖錐直徑更大.圖2(b)是DCF實物圖,圖3為GI MMF光纖錐接入和未接入傳感器時的透射譜.從圖3中可以看到,將GI MMF光纖錐接入傳感器,透射譜周期明顯增加,且條紋對比度更加明顯.這是因為光纖錐和GI MMF增大了光的發(fā)散角,從而使更多的光進入下一段色散補償光纖包層中,增加包層模能量,有利于提高干涉條紋的對比度.因此,兩個GI MM光纖節(jié)點作為光耦合器.光從寬帶光源發(fā)出,通過SMF與GI MMF第一個光纖錐節(jié)點時,一部分光會耦合進GI MMF纖芯中,一部分光進入到GI MMF包層中.在GI MMF傳輸?shù)墓饨涍^DCF時,由于纖芯失配等原因,一部分光耦合進入DCF纖芯中傳輸,一部分光耦合進入DCF包層中傳輸,激發(fā)包層模產生.在DCF與GI MMF第二個熔接節(jié)點處,包層模與纖芯基模相遇并耦合.由于纖芯和包層有效折射率不同,造成兩束光產生相位差,由此發(fā)生干涉現(xiàn)象.L表示DCF長度.

圖2 (a)光纖錐實物照片;(b)DCF實物圖Fig.2.The photograph of(a)the waist-enlarged fi ber taper and(b)DCF.

圖3 (a)未接入GI MMF光纖錐的透射譜;(b)接入GI MMF光纖錐的透射譜Fig.3.The transmission spectra from the MZI(a)without and(b)with the graded-index multimode fi ber.

傳感器透射譜能量可以表示為[20]

其中I,Icore和為透射譜總光強、纖芯模光強和第m階包層模光強;λ為中心波長;L為傳感器長度;和為纖芯模和第m階包層模有效折射率.

當光通過傳感器時,由于光纖纖芯和包層折射率不同,在纖芯和包層傳輸?shù)膬墒饨涍^傳感器后產生相位差.當干涉譜能量達到最大值時,相位差Δ?可表示為[21]

其中k為整數(shù),為產生干涉的傳導模有效折射率差.兩個干涉譜條紋之間的間隔表示為[22]

從(3)式中可以看到,兩干涉條紋之間的距離隨著傳感臂長度L的增加而減少.

當傳感器外界溫度恒定,濕度發(fā)生變化時,對(1)式求導,即得到相對濕度靈敏度計算公式[17]:

隨著環(huán)境中濕度逐漸增大,傳感器外部空氣折射率逐漸增大,導致包層有效折射率會增大,根據(jù)消逝波原理向外輻射的能量增多,導致包層模光強減少,而纖芯模光強Icore不變,所以傳感器透射譜光強減少.通過監(jiān)測光強I變化,可以檢測出空氣中濕度的大小.

實驗中使用纖芯直徑4.65μm、包層直徑120μm的色散補償光纖、纖芯直徑50μm、包層直徑125μm的多模漸變光纖.使用商業(yè)熔接機在兩個GI MM光纖之間熔接一段DCF,得到MZI傳感器.調整DCF長度,得到不同長度的MZI傳感器,如圖4所示.其中GI MMF長4 mm.從圖4中可以看到干涉譜周期性十分明顯,且條紋消光比較大,達到10 dB以上,滿足實際測量要求.當DCF長度增加時,條紋自由光譜范圍(FSR)在減少,與(3)式理論分析一致.

為更一步理論分析,對透射譜進行快速傅里葉變換,得到相應的傅里葉空間頻譜,如圖5所示.空間頻譜ε關系為[20]

圖4 MZI透射譜 (a)S-1;(b)S-2Fig.4.Interference patterns of the fabricated MZI:(a)S-1;(b)S-2.

圖5 傳感器在空氣中透射譜的空間譜Fig.5.Spatial frequency spectrum of the sensor in the air.

3 實驗與結果分析

圖6為濕度和溫度實驗裝置圖.傳感器S-1和S-2被放置在密閉容器中,用來測量濕度.它由寬帶光源(BBS,Lightcomm,ASE-CL)、恒溫恒濕控制器(RH Chamber,Wewon,WHTH-225L)和光譜分析儀(OSA,Anritsu,MS9740 A)組成.由于彎曲損耗會造成MZI透射損耗,所以,傳感器被拉直且固定在樹脂玻璃上.樹脂玻璃上有氣孔分布,可以允許水分子通過.傳感器頭尾端通過單模光纖連接到BBS和OSA.恒溫恒濕控制器濕度和溫度測試范圍是20%RH—98%RH和?20—150°C,測量誤差±1%RH和±1°C.

圖6 實驗裝置圖Fig.6.The schematic diagram of the relative humidity measuring system.

圖7為不同濕度條件下傳感器S-1和S-2的測量光譜.實驗中傳感器S-1和S-2分別選取中心波長1525.9 nm和1517.5 nm處的波峰作為監(jiān)測對象.不同顏色的線型代表不同濕度.溫度恒定在35°C,濕度從35%RH—85%RH每10%RH改變一次,記錄監(jiān)測點所對應的能量.從圖中可以看到,隨著空氣濕度不斷增加,傳感器S-1和S-2有相同的變化趨勢,監(jiān)測點能量逐漸減小,最大變化達到了3.17 dB和3.36 dB;波長發(fā)生紅移,最大漂移量分別為0.13 nm和0.22 nm,這與理論分析一致.由于干涉譜峰值能量的變化比峰值波長變化明顯,且靈敏度更高,便于測量.

外界溫度改變,同樣也會引起透射光譜發(fā)生漂移.在恒定濕度條件下,當外界溫度升高,空氣中水分子含量會減少,因此,測量濕度時也應考慮溫度.本文對傳感器的溫度響應做了實驗研究.實驗中傳感器S-1和S-2仍選取中心波長1525.9 nm和1517.5 nm處的波峰作為監(jiān)測對象.將傳感器傳感部分懸空置于溫箱之中,然后加熱.濕度恒定在35%RH,溫度從35—85°C每10°C改變一次.圖8是不同溫度下傳感器S-1和S-2透射光譜.從圖中可見,隨著溫度不斷升高,監(jiān)測點波長發(fā)生紅移,分別漂移了1.51 nm和1.62 nm;而波峰能量分別變化了0.12 dB和0.16 dB,基本保持不動.

圖7 不同濕度下傳感器透射光譜 (a)S-1;(b)S-2Fig.7.The spectral responses of the sensor with different RHs:(a)S-1;(b)S-2.

圖8 傳感器在不同溫度下的透射光譜 (a)S-1;(b)S-2Fig.8.The spectral responses of the sensor with the temperature increasing:(a)S-1;(b)S-2.

圖9(a)和(b)是傳感器S-1和S-2監(jiān)測點能量與濕度的變化關系.從圖中可以看到,隨著濕度不斷增加,監(jiān)測點能量減少,對應靈敏度分別為?0.0585 dB/%RH和?0.0668 dB/%RH,相關度為0.987和0.995,說明傳感器波峰能量漂移量與濕度變化呈良好的線性關系.比文獻[17,20]中的濕度靈敏度低而高于文獻[21]的結構靈敏度.在相同濕度變化范圍內高于文獻[23]的結構靈敏度.

圖9(c)和(d)是在不同溫度下傳感器的透射譜響應.隨著溫度升高,透射譜發(fā)生紅移,而能量變化幅度不大.這是由于熱膨脹和熱光效應使傳感器長度增長和有效折射率差增大,透射譜發(fā)生紅移;而傳感器干涉譜漂移量較小,所以對干涉模式間能量調制不明顯.傳感器S-1和S-2溫度靈敏度分別為30.7 pm/°C和33.1 pm/°C,相關度為0.988和0.983.而在波峰處能量幾乎保持不變.

圖9 波峰能量與濕度變化關系 (a)S-1;(b)S-2;(c),(d)分別為(a),(b)的溫度響應Fig.9.Relationship between peak power variation and surrounding RH of different sensors:(a)S-1;(b)S-2;(c),(d)are the temperature response of(a),(b)respectively.

4 總 結

提出了一種基于光纖錐級聯(lián)纖芯失配的MZI傳感器.通過監(jiān)測干涉譜能量變化實現(xiàn)對濕度的測量.單模光纖和多模漸變光纖熔接光纖錐,色散補償光纖被夾在兩個多模漸變光纖,構成了單模光纖-光纖錐-多模漸變光纖-色散補償光纖-多模漸變光纖-光纖錐-單模光纖結構的MZI濕度傳感器.對該傳感器傳光理論進行了分析,研究了對環(huán)境濕度變化的傳感特性.實驗結果表明,透射光譜能量隨濕度增大而減少,環(huán)境濕度在35%RH—85%RH范圍內變化,一段由20 mm色散補償光纖組成的傳感器,其濕度靈敏度為?0.0668 dB/%RH,相關度為0.995.該傳感器制造容易、成本低、靈敏度較高,而且沒有涂覆任何吸濕增敏材料,因此,它可以成為一個實際測量濕度候選傳感器.

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