雙孔光纖集成F-P干涉儀的高靈敏度溫度傳感器

李松，張徐，呂明陽，楊興華，朱正

(哈爾濱工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

光纖傳感器的微型化、集成化以及高靈敏度化是目前光纖傳感領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一[1-3]。隨著光纖傳感微結(jié)構(gòu)的制作工藝以及特種光纖制備工藝等方面的提升，光纖微結(jié)構(gòu)干涉儀的發(fā)展得到了有力的促進，所體現(xiàn)的獨特傳感特性更豐富了其應(yīng)用潛力?；诟鞣N不同光纖的Michelson、Mach-Zehnder和Fabry-Perot (F-P)干涉儀的光纖傳感器已經(jīng)被廣泛用于物理、化學(xué)和生物參數(shù)的測量[4-7]。相比其他光纖干涉儀，光纖法布里-珀羅干涉儀(F-PI)具有更高的穩(wěn)定性，更小的傳感器尺寸和易于制造等特點，引起了研究者們極大的關(guān)注[8-9]。

制作F-P干涉儀結(jié)構(gòu)的方法分為很多種，根據(jù)F-P腔內(nèi)的材料，主要可以分為空氣腔F-P干涉儀和石英腔F-P干涉儀。微結(jié)構(gòu)光纖中空氣孔這種類型的F-P干涉儀更能有效增強光與物質(zhì)的相互作用從而滿足傳感器件高靈敏，微尺寸要求[10]。通過簡單切割和熔接，使用多芯光纖和大空氣孔光纖制成的并聯(lián)空氣腔F-PI已經(jīng)被用作折射率和彎曲傳感器[11-14]。

本文通過在七芯光纖和D形光纖中間連接雙孔光纖，形成開放的兩端反射面形成的密閉空氣腔，利用封閉空氣腔的兩端反射面形成一個密閉的空氣腔F-P干涉儀。

1 雙孔光纖傳感器的制作

該F-PI結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，由七芯光纖、雙孔光纖、D形光纖熔接形成一個開放的空氣腔和封閉的空氣腔。利用AB膠封閉開放空氣腔構(gòu)成F-PI1,已經(jīng)被D形光纖封閉的空氣腔構(gòu)成F-PI2。本實驗用到的七芯光纖、雙孔光纖和D形光纖的橫截面圖像分別為圖2所示。七芯光纖包含了7個纖芯和1個公共包層，其中1個芯位于中心軸線處，其它6個芯圍繞中心軸線對稱分布。纖芯和包層的直徑分布為6.4和125 μm，纖芯的間隔為35 μm，確保了不同纖芯之間沒有耦合。用到的雙孔光纖由1個橢圓芯和2個大空氣孔組成。纖芯的長軸和短軸的長度分別為11.4和8.7 μm，2個空氣孔的和包層的直徑分別為40和125 μm。D形光纖的纖芯直徑為4 μm，包層最大和最小的直徑分別是138和87.814 μm。

圖1 F-PI的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of F-PI

圖2 七芯光纖、雙孔光纖及D形光纖的截面Fig.2 Section of a seven-core fiber,a double-hole fiber,and a D-shaped fiber

使用保偏光纖熔接機的手動模式熔接七芯、雙孔和D形光纖。雙空氣孔光纖F-P干涉儀過程為：1)用切割刀分別將七芯光纖和雙孔光纖切好；2)將切好的七芯光纖和雙孔光纖放置在100P保偏光纖熔接機上。在光纖焊接之前，手動旋轉(zhuǎn)光纖和移動相對位置；3)將七芯光纖的一端通過七芯扇入扇出耦合器與1個三端口光纖環(huán)形器相連，環(huán)形器的1端口連接寬譜光源，3端口連接光譜儀；4)旋轉(zhuǎn)雙孔光纖并記錄下干涉信號完全消失到開始產(chǎn)生所轉(zhuǎn)過的角度θ，調(diào)節(jié)使七芯的1個芯與雙孔光纖的1個空氣孔相對準。由于空氣孔直徑為40 μm，可以計算獲得θ為30°左右。由于雙孔和所選雙纖芯均具有對稱性，即只需觀察其中1個芯的狀態(tài)，另外一芯與之相同；5)將七芯光纖與雙孔光纖熔接，其中熔接程序的參數(shù)設(shè)置為：放電功率標準-60 bit，放電時間900 ms，該參數(shù)設(shè)置是為了避免光纖熔接過程中雙孔光纖空氣孔坍塌帶來的干擾；6)將焊接好的雙孔光纖在合適的位置切斷，與1段D形光纖熔接。同樣利用4步驟中的調(diào)節(jié)過程，使D形光纖封閉1個空氣孔，而雙孔光纖的另1個空氣孔露出來；7)利用AB膠把雙孔光纖開放空氣孔的一側(cè)封閉，形成F-PI1。這里，雙孔光纖長度為660 μm。最終，雙孔光纖上構(gòu)成了2個相互獨立的并聯(lián)F-PI。

2 雙孔光纖傳感器的工作原理

根據(jù)菲涅爾反射理論，膠水腔和空氣腔的反射面具有較低的反射率，因此，忽略干涉中的多次反射，每個F-P干涉儀可以視為雙光束干涉。2個干涉儀的輸出信號強度可以表示為：

(1)

(2)

式中：I11和I12是膠封F-P干涉儀的前后2個反射面的反射光強；L1是膠封F-P干涉儀的物理長度；I21和I22是光纖封F-P干涉儀的前后2個反射面的反射光強；L2是光纖封F-P干涉儀的物理長度；k=2π/λ是波矢。當相位滿足π的奇數(shù)倍時，干涉信號的強度達到最小，對應(yīng)干涉儀光譜的波谷及波長為：

(3)

(4)

式中：n1和n2是2個F-P腔中空氣的折射率(n1=n2=n)；L1和L2是F-P腔的物理長度；φ1和φ2是2個F-P干涉儀干涉信號的初始相位，m是整數(shù)。2個相鄰干涉波峰具有2π的相位差。因此2個F-P干涉儀的FS為：

(5)

(6)

當溫度和應(yīng)力同時改變時，2個F-P干涉儀對應(yīng)的波長漂移Δλ1和Δλ2可以表示為：

(7)

(8)

式中：?L1/?T和?L2/?T分別是單位溫度變化引起的F-P腔長的變化，與材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。對于膠封F-P腔，其腔長變化由雙孔光纖熱膨脹引起的F-P腔長度的增加和AB膠熱膨脹引起的F-P腔長度減小，可表示為?L1/?T=αSiL1-αGlLGl(αSi和αGl分別是石英和AB膠的熱膨脹系數(shù)，LGl是填充的AB膠的長度)，其中αGl>>αSi，因此膠封F-P腔長度是隨著溫度的增加而減小的。對于D形光纖封F-P腔，其腔長變化只由雙孔光纖的熱膨脹決定，表示為?L2/?T=αSiL2，因此其腔長隨著溫度的增加而變長。?n/?T表示單位溫度變化引起的空氣折射率的改變量，是空氣的熱光系數(shù)，?n/?ε是空氣的光彈系數(shù)。式(7)和(8)可以簡化為：

(9)

(10)

并可以進一步表示為：

(11)

(12)

3 實驗結(jié)果和分析

實驗獲得的膠封的F-P干涉儀(F-PI1)和光纖封的F-P干涉儀(F-PI2)的反射譜如圖3所示。2個輸出光譜的對比度分別為0.8 dB和1.5 dB，自由光譜范圍FSR分別為2 nm和1.8 nm。F-PI1的FSR略大于F-PI2的FSR，這是因為AB膠封閉開放空氣腔的過程中，利用的是AB膠的毛細作用填充該腔，使得該F-P腔變短，F(xiàn)SR變大。同時FPI1的對比度也略低，是因為AB膠構(gòu)成的反射弧面的反射率相對較低所致。

圖3 F-PI1、F-PI2反射光譜圖Fig.3 Reflection spectrum of F-PI1and FPI2

本文對該傳感器結(jié)構(gòu)的溫度和應(yīng)變響應(yīng)特性進行了實驗研究，實驗裝置圖如圖4所示。整個系統(tǒng)光路傳輸過程如下：寬帶光源(amplified spontaneous emission，ASE)發(fā)出的光通過3 dB耦合器一分為二，分別與2個環(huán)形器的1端口相連，而后2個2端口分別與七芯扇入扇出模塊(seven-core coupler，SCC)單模端對應(yīng)纖芯1和2相連，3端口分別接2個OSA光譜儀。2個并聯(lián)獨立的F-PI干涉信號可以通過七芯光纖傳回，經(jīng)過七芯扇入。扇出模塊這2束干涉信號即可由2個光譜儀分別檢測。值得注意的是，本文所涉及的傳感器，只用到了七芯光纖中的一對對稱芯，故在實際應(yīng)用中可以用對稱雙芯光纖代替，只是實驗室沒有合適的對稱雙芯及相應(yīng)的扇入扇出設(shè)備，故而用七芯研究其傳感特性。同時，用2個光譜儀來進行監(jiān)測信號，只是便于實驗方便和直觀觀察光信號。在實際的應(yīng)用中，可用CCD和1×2光開關(guān)來實現(xiàn)時分復(fù)用和雙通道的同時測量。

圖4 雙封閉空氣腔并聯(lián)F-P干涉儀溫度和應(yīng)變實驗裝置Fig.4 Experimental setup of the dual-air-cavity fiber Fabry-Perot interferometer for both temperature and strain measurement

為了獲得該傳感器的溫度響應(yīng)特性。為了獲得該傳感器的溫度特性，我們把傳感探頭放入溫控箱中，實驗裝置如圖4所示。在25～65 ℃，每隔10 ℃記錄一次光譜數(shù)據(jù)。圖5為F-PI1和F-PI2的反射光譜隨溫度的變化圖。隨著溫度的增加，F(xiàn)-PI1的光譜發(fā)生藍移，而F-PI2的光譜發(fā)生紅移。對于F-PI1，因為隨著溫度的增加，空氣腔的長度增加，同時AB膠膨脹導(dǎo)致空氣腔長度壓縮，但由于AB膠的熱膨脹系數(shù)遠大于空氣和石英的熱膨脹系數(shù)，因此空氣腔長度實際是被壓縮，使得光譜往短波方向漂移。對于F-PI2，空氣腔長度會隨溫度升高而變長，光譜往長波方向漂移。

圖5 F-PI1、F-PI2干涉儀反射光譜隨溫度的變化Fig.5 Interferometer reflectance spectrum changes with temperature of F-PI1and FPI2

圖6為F-PI1和F-PI2傳感器的溫度靈敏特性，波峰的波長與溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，F(xiàn)-PI1和F-PI2的靈敏度分別為-110.4和3.4 pm/℃。

圖6 F-PI1、F-PI2傳感器的溫度靈敏特性Fig.6 Temperature sensitivity of F-PI1and FPI2

本文研究了F-PI1和F-PI2的應(yīng)力響應(yīng)特性。圖7為F-PI1和F-PI2反射光譜隨軸向應(yīng)力的變化圖。從圖中可以看出。隨著軸向應(yīng)力的增加，二者的光譜均向長波方向漂移，這是因為隨著應(yīng)力的增大，腔的長度會相應(yīng)的變長。

圖7 F-PI1，F(xiàn)-PI2干涉儀反射光譜隨軸向應(yīng)力的變化Fig.7 Interferometer reflectance spectrum changes with axial stress of F-PI1and FPI2

圖8為F-PI1和F-PI2傳感器的應(yīng)變靈敏特性，由圖可知，波峰波長隨著應(yīng)力的增大而線性的增大，且F-PI1和F-PI2的靈敏度相近，分別為1.1和1.4 pm/με。將實驗測量所得溫度靈敏度和軸向應(yīng)力靈敏度數(shù)值代入式(12)中，可以同時獲得其溫度和應(yīng)力值關(guān)系為：

圖8 F-PI1，F(xiàn)-PI2傳感器的應(yīng)力靈敏特性Fig.8 Stress sensitivity of F-PI1and FPI2

(13)

4 結(jié)論

1)由于AB膠具有較高的熱膨脹系數(shù)，該F-P干涉儀可以實現(xiàn)高靈敏度的溫度測量。

2)基于石英封閉空氣腔的F-P干涉儀由于石英相對較小的熱膨脹系數(shù)，其溫度靈敏度較小，可以作為補償。

3)該傳感器具有高穩(wěn)定性，易于制造和尺寸緊湊等優(yōu)點，使其成為實現(xiàn)高溫監(jiān)測的優(yōu)良選擇。

4)因為2個F-PI相互獨立且具有相近的應(yīng)變靈敏度，該傳感器可以消除軸向應(yīng)變對溫度測量的影響實現(xiàn)高靈敏度溫度測量中的應(yīng)變補償。

下一步的工作將針對2個并聯(lián)F-P腔的線性關(guān)系，從AB膠的熱膨脹系數(shù)與石英玻璃不同的角度，分析AB膠的熱膨脹系數(shù)與溫度靈敏度之間的定量關(guān)系。后續(xù)將開展2個以上空氣孔的光纖傳感器設(shè)計工作。