同時測量曲率和溫度的高靈敏度光纖傳感器*

劉 理, 吳官權(quán), 漆世鍇, 曾 偉, 毛莉莉

(九江學院 電子工程學院，江西 九江 332005)

0 引 言

曲率和溫度是兩個重要的物理參量，曲率和溫度傳感器已經(jīng)被廣泛的用于結(jié)構(gòu)健康檢測領(lǐng)域[1]。光纖傳感技術(shù)因其具有抗電磁干擾、體積小、耐腐蝕和靈敏度高等特點備受廣大研究學者青睞?；诓祭窆饫w光柵[2]、長周期光柵[3]和傾斜布拉格光纖光柵[4]等生產(chǎn)過程復雜、制造成本昂貴。另外，基于多模光纖(multi-mode fiber,MMF)[5]、光子晶體光纖[6]、空芯光纖[7]和細芯光纖[8]的，利用這些特種光纖與SMF熔接激發(fā)包層模式并與纖芯模式耦合干涉形成光纖模式干涉儀，但其靈敏度和條紋對比度還比較低。研究表明可通過拉錐的方式提高光纖模式干涉儀的靈敏度[9,10]，但這類型傳感器溫度和曲率之間有比較大的串擾。

本文對傳統(tǒng)的基于多模—單?！嗄９饫w結(jié)構(gòu)的模式干涉儀進行了改進和優(yōu)化設計。通過檢測干涉谷值波長和功率變化，同時實現(xiàn)了溫度和曲率的高靈敏測量，溫度靈敏度為71.42 pm/℃，曲率靈敏度高達141.63 dB/m-1，溫度對曲率的串擾幾乎為0。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

本文首先采用單?！嗄！獑文！嗄！獑文９饫w熔接的方式形成模式干涉儀，如圖1所示。MMF的纖芯和包層直徑分別為105 μm和125 μm，SMF的纖芯和包層直徑分別為9 μm和125 μm。由于多模和單模的芯徑不匹配，光會從MMF1的纖芯耦合至SMF2的包層中，SMF2的纖芯模和包層?？赏ㄟ^MMF2耦合至SMF3中，形成模式干涉儀，最后的干涉譜輸出強度為[11]

(1)

式中Ico和Icl分別為傳輸光在纖芯和包層中的光強，Δneff=nco-ncl為纖芯和包層的有效折射率之差，l為SMF2的長度。干涉譜谷值對應波長為

(2)

式中k為正整數(shù)。

圖1 MMF-SMF-MMF結(jié)構(gòu)

當外界環(huán)境溫度不變時，傳感器曲率發(fā)生變化時，SMS2外部包層受到擠壓和拉伸，而纖芯受到的擠壓基本可以忽略不計，從而導致模式干涉儀的Δneff將會發(fā)生變化，進而導致透射譜的谷值波長λdip將發(fā)生漂移。同時光纖彎曲時，包層能量損耗急劇增加，干涉譜的條紋消光比也將發(fā)生變化。因此，傳感器可以通過檢測干涉谷值波長和谷值功率來實時監(jiān)測外界曲率。

當外界環(huán)境保持曲率不變，而溫度發(fā)生變化時，因SMS2的纖芯和包層的熱光系數(shù)不一樣，干涉儀的Δneff也將會發(fā)生變化，從而導致透射譜的λdip發(fā)生漂移，但纖芯模和包層模的能量基本不會發(fā)生變化，干涉條紋消光比基本保持不變。

設光纖模式干涉儀谷值波長的漂移量為

Δλdip=k1C+k2T

(3)

式中k1和k2分別為干涉谷值波長對曲率C和溫度T的靈敏度

ΔE=k3C+k4T

(4)

式中k3和k4分別為干涉谷值功率對曲率C和溫度T的靈敏度。聯(lián)立式(3)和式(4)可知

(5)

因此,曲率和溫度的同時測量可通過檢測模式干涉儀某一谷值波長和功率的變化來實現(xiàn)。

可通過提高條紋對比度和激發(fā)高階包層模式來提高傳感器的靈敏度，因為包層模的階數(shù)越高，熱光系數(shù)越大，傳感器的溫度靈敏度越大[12]；消光比越大，光纖彎曲時，條紋對比變化越明顯，谷值功率變化范圍越大，曲率測量范圍也將越大。為了達到增敏的目的，本文首先將圖1所示結(jié)構(gòu)的MMF長度設置為半自聚焦長度，再將SMF2進行了拉錐處理。

通過BMP軟件仿真可知，當單?！嗄！獑文９饫w(single modal-multimodal-single modal,SMS)結(jié)構(gòu)中，MMF很長時，MMF中激發(fā)的模式會相互干涉耦合，每隔1.1 cm就會自聚焦一次，軸心的能量達到最大值，同時可發(fā)現(xiàn)在兩個自聚焦點中間點位置處光斑卻是圓環(huán)狀、軸心的能量為0，圓環(huán)的內(nèi)半徑大于SMF纖芯半徑，如圖2(b)所示。當MMF長度為自聚焦長度1/2時，MMF的光能將全部耦合至SMF的包層中，SMF纖芯能量基本為0，如圖2(a)所示。本文正是利用SMS結(jié)構(gòu)的此種特性，首先將MMF長度設置為5.5 mm，這樣可以有效激發(fā)高階包層模式，增加高階包層模量能量分配。

圖2 BPM仿真SMS結(jié)構(gòu)光場分布

通過氫氧焰和電動位移平臺對SMF2進行熔融拉錐，進一步激發(fā)高階包層模式，并合理設置錐長，達到控制包層模的傳播損耗目的，使SMF2纖芯模和包層模的能量基本一致，提高干涉儀的條紋對比度，如圖3(a)所示。初始SMF2的長度為5 mm，傳感器的透射譜如圖3(b)中帶空心圓曲線所示，因為包層模能量還比較高，消光比較小。在SMF2拉錐過程中，通過光譜儀實時監(jiān)測傳感器的透射譜，當拉錐長度為10 mm時停止拉錐，光纖錐的錐腰直徑最小為50 μm。此時模式干涉儀的消光比最高可達40 dB，如圖3(b)帶實心框曲線所示。

圖3 傳感器制作原理圖

2 實驗結(jié)果和討論

圖4 曲率測量方案

兩個夾具的初始距離為22.5 cm，通過調(diào)節(jié)位移平臺使兩者距離逐漸靠近，每次調(diào)節(jié)距離為10 μm。從圖5(a)可以看出：隨著夾具距離的靠近，干涉儀的透射譜消光比逐漸減小，干涉谷值(dip2)功率逐漸增加，這主要是由部分包層模式輻射至光纖外造成的?？赏ㄟ^多項式擬合出谷值功率與曲率之間關(guān)系，如圖5(b)帶實心方框曲線所示。曲率在0.324 6～0.615 9范圍內(nèi)，谷值功率呈拋物線變化。當曲率變化在0.324 6～0.459 0范圍內(nèi)時，dip2的功率和曲率之間近似成線性關(guān)系，線性度為0.944 3，在此范圍內(nèi)曲率靈敏度高達141.63 dB/m-1，如圖5(b)帶實心圓點曲線所示；同時彎曲時dip2對應的波長也會發(fā)生漂移，dip2波長對曲率的靈敏度為4.7 nm/m-1，如圖5(b)帶空心方框曲線所示。

圖5 傳感器的曲率響應

為了測量傳感器的溫度特性，保持干涉儀處于平直狀態(tài)，并將其放置在水浴鍋中，控制驅(qū)動電壓，使溫度從35 ℃變化到65 ℃，干涉儀的透射譜變化如圖6(a)所示。由于包層模的熱光系數(shù)大于纖芯的，當溫度增加時，纖芯與包層有效折射率差變大，dip2的波長發(fā)生了明顯的紅移，而功率基本沒有變化。通過線性擬合，可以看出dip2的波長與溫度呈線性關(guān)系，干涉儀dip2波長的溫度靈敏度為71.43 pm/℃，如圖6(b)所示。

圖6 傳感器的溫度響應

通過上述實驗測量的靈敏度數(shù)據(jù)，并結(jié)合式(5)可以得到曲率和溫度的計算公式為

(7)

傳感器的分辨率受限于光譜儀的分辨率，實驗采用的光譜儀型號Yokogawa AQ6370D。頻率分辨率為20 pm，功率分辨率為0.001 dBm。由式(7)計算可知傳感器的曲率和溫度分辨率分別為7.061×10-6m-1和0.28 ℃。

3 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明:干涉儀的消光比最高可達40 dB，所提出的傳感器的曲率靈敏度高達141.63 dB/m-1，溫度靈敏度可達71.43 pm/℃，并且溫度對曲率的串擾幾乎為0，曲率和溫度分辨率分別為7.061×10-6m-1和0.28 ℃。因其制作簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，靈敏度高等特點，可用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測領(lǐng)域。