同時測量海水鹽度溫度的微光纖耦合器研究*

王 晶，楊 磊，廖毅鵬，王姍姍

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

海水的鹽度與溫度作為人類探索并研究海洋的重要基本參數(shù)，其測量對海洋研究至關(guān)重要。目前，最廣泛使用的海洋測量裝置是電導(dǎo)率-溫度-深度(CTD)儀器,可以測量海水鹽度與溫度[1]，具有精度高和實(shí)用性廣的優(yōu)點(diǎn)。然而，考慮到其設(shè)備本身構(gòu)造復(fù)雜、尺寸相對較大，造價高昂，目前急需一種微尺寸、造價低廉的傳感器，以滿足對海水的鹽度和溫度同時測量的需求。近幾年，利用微光纖傳感器測量海水鹽度或溫度的研究已取得了相對較好的進(jìn)展，例如使用微光纖環(huán)形諧振腔[2-5]、雙折射橢圓光纖[6]、馬赫曾德光纖干涉儀[7-9]等進(jìn)行鹽度或溫度單參數(shù)測量的研究，它們都體現(xiàn)了微尺寸，連續(xù)性與抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。針對海洋內(nèi)波、熱鹽環(huán)流等海洋動力現(xiàn)象研究，迫切需要同時測量這兩個參數(shù)的新方法。

微光纖耦合器作為多輸入、輸出端口的重要光學(xué)器件，具有高信噪比、調(diào)節(jié)光功率分配、以及易于制作，成本低廉等優(yōu)勢，廣泛用于氣體檢測、磁場傳感、生物化學(xué)傳感等多個領(lǐng)域[10-13]。同時，應(yīng)用于光寬帶單模式操作[14]，光纖激光器[15]及陷波濾波器[16]的微光纖耦合器為多端口輸出微型設(shè)備提供了實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。相較于微光纖馬赫曾德爾干涉儀[17-18]等基于模式耦合的單根微光纖傳感器，微光纖耦合器是由兩根微光纖弱熔合而成，能夠激發(fā)更多能量的倏逝場，且不同模式倏逝場的耦合也對環(huán)境的變化更為敏感，這意味著微光纖耦合器擁有更高的靈敏度。通過控制微光纖耦合器均勻腰區(qū)直徑大小找到光譜彌散轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以得到超高折射率靈敏度，為海水鹽度等參數(shù)的高靈敏度測量可行性提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[19-20]。利用微光纖耦合器作探針的溫度傳感器[21]和涂覆有硅膠的濕度溫度傳感器[22]的研究均達(dá)到了理想的靈敏度，為海水中鹽度和溫度的同時測量奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文研制了一種基于2×2四端口微光纖耦合器，實(shí)現(xiàn)了海水鹽度和溫度的同時測量。傳感器測量結(jié)果的相對誤差分別為3.39%和3.97%，表明此傳感器具有很好的準(zhǔn)確性。該傳感器具有小尺寸、易于制作、靈敏度高等優(yōu)勢，為未來低成本化、多功能化、集成化的光纖傳感手段研究海洋環(huán)境與海洋動力現(xiàn)象提供了新方法。

1 原理

一種用于海水鹽度和溫度同時測量的新型微光纖傳感裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。微光纖耦合器由2個輸入端口(Port 1和Port 2)，2個輸出端口(Port 3和Port 4)和耦合區(qū)組成。其中，耦合區(qū)是由2根平行的單模光纖經(jīng)火焰拉伸技術(shù)而得的2個錐形過渡區(qū)與均勻腰區(qū)組成，中間的均勻腰區(qū)通過兩端的錐形過渡區(qū)與輸入端口、輸出端口相連接。

圖1 微光纖耦合器示意圖Fig.1 Schematic diagram of microfiber coupler

耦合器中，2根微光纖的耦合區(qū)形成了新的波導(dǎo)。根據(jù)超模耦合理論[23]，當(dāng)光從端口1進(jìn)入耦合器的錐形過渡區(qū)時，偶超模與奇超模將被同時被激發(fā)。在均勻腰區(qū)，以上2種超模沿著波導(dǎo)傳輸并逐漸累積相位差，最終耦合到輸出端的錐形過渡區(qū)，發(fā)生模式干涉。于是，在不同的光程上，將出現(xiàn)不同的能量分布情況，不同的輸出端也將得到不同的干涉條紋。輸出端口3與4的輸出能量分別為[24]：

P3=P1cos2φ,

(1)

P4=P1sin2φ。

(2)

此時，兩超模在耦合區(qū)傳輸過程中所累積的相位差滿足下式[19]：

(3)

通過(3)式可以看出，輸出端最終的能量分布取決于耦合區(qū)的長度與超模的有效折射率。由于均勻腰區(qū)的直徑為微米甚至納米級，光場在此區(qū)域傳播時大部分能量會以倏逝場的形式在均勻腰區(qū)以外的空間傳播，而且，耦合器中傳播模式的有效折射率與外界環(huán)境的折射率越接近，就會有更多能量的倏逝場，它對周圍環(huán)境折射率的變化非常敏感。即周圍環(huán)境變化(例如海水的鹽度或溫度)所引起其自身折射率的變化對超模的有效折射率影響顯著。本文利用以上性質(zhì)，在保持耦合器其他參數(shù)不變的情況下，測量海水的鹽度和溫度變化。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳感器制作

利用研制的關(guān)鍵傳感器與超連續(xù)光源(Super K Compact)、光譜儀(Yokogawa AQ6370C)所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。兩側(cè)對稱位置各有矩形開口的樣品池(直徑為6.00 cm)位于溫控加熱平臺(JR-200)上，位于樣品池溶液內(nèi)的傳感器由兩側(cè)光纖夾支撐以懸浮于溶液中。來自超連續(xù)光源的寬帶光從端口1進(jìn)入耦合器，再從端口3與端口4輸出，其中，端口3直接與光譜儀相連接。所以，在實(shí)驗(yàn)中主要以觀察端口3的輸出光譜進(jìn)行研究。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

采用火焰拉伸法進(jìn)行四端口微光纖耦合器的制作(見圖3)。將2根單模光纖中部剝除涂覆層，得到長度約為35.00 mm的裸光纖，并將裸光纖軸向平行對齊。為了增加拉錐時光纖的機(jī)械強(qiáng)度與耦合程度，將兩光纖一端共同固定在三維調(diào)節(jié)平臺上，使兩光纖相互纏繞形成相互交織的整體，并將另一端也固定在三維平移平臺上。最后，調(diào)整好火焰與光纖的垂直距離，待光纖軟化，通過控制兩個三維調(diào)節(jié)平臺，向兩側(cè)勻速拉伸光纖，得到2×2四端口耦合器。

圖3 火焰拉伸法制作微光纖耦合器原理圖Fig.3 Schematic diagram of microfiber coupler by flame taper method

研制的微光纖耦合器光學(xué)顯微鏡圖像如圖4所示，整個耦合器長度約為22.00 mm，均勻腰區(qū)長度約為5.00 mm，其最細(xì)部分直徑約為1.70 μm，即單根微光纖直徑為0.85 μm。

(插圖：均勻腰區(qū)10×50倍光學(xué)顯微鏡圖像。Inset:10×50 fold optical microscope image of the finest part of uniform waist region.)圖4 微光纖耦合器10×20倍光學(xué)顯微鏡圖像Fig.4 10 ×20 fold optical microscope image of microfiber coupler

在入水測試之前，首先在室內(nèi)空氣中記錄下輸出端口3、4的輸出光譜，如圖5所示。表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公式(1)、(2)相一致，輸出端口3、4的輸出光譜分別為余弦函數(shù)平方和正弦函數(shù)平方，兩微光纖耦合成功，完成了微光纖耦合器的制作。

圖5 空氣中微光纖耦合器輸出端口3、4的透射光譜Fig.5 Transmission spectra of the output port 3 and 4 of microfiber coupler in the air

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 鹽度測量

為了測量海水鹽度的變化，在溫度一定的情況下，向樣品池內(nèi)的海水中緩慢滴入適量蒸餾水,以改變海水鹽度。其中，樣品池內(nèi)的海水是取自青島近岸的海水樣品(初始鹽度為35.00)，并由鹽度計(jì)(Atago,PR-100SA)測出待測樣品的鹽度。使鹽度從35.00減少至24.00，不同鹽度海水中耦合器的輸出光譜如圖6所示。為了探究傳感器對海水鹽度的靈敏度，觀測波谷1和波谷2的波長移動(它們分別位于波長1 541.65和1 572.82 nm處)，可以看出，兩個波谷都隨著鹽度的減少而向短波長方向移動。圖7、8分別為波谷1和波谷2的波長隨鹽度變化曲線，其中，波谷1和波谷2的鹽度靈敏度分別為1 418.00和1 600.00 pm/‰。

圖6 在溫度26.00 ℃不同鹽度的海水中輸出端口3的輸出光譜Fig.6 Transmission spectra of the output port 3 in seawater with different salinities under temperature of 26.00 ℃

圖7 波谷1的波長隨鹽度的變化曲線Fig.7 The relationship between the wavelength and salinities of the dip1

圖8 波谷2的波長隨鹽度的變化曲線Fig.8 The relationship between the wavelength and salinities of the dip2

3.2 溫度測量

完成了海水鹽度測量實(shí)驗(yàn)后，樣品池內(nèi)的海水鹽度為24.00，溫度依然為26.00 ℃。為了做到同時測量海水鹽度與溫度的變化，在測量溫度變化的實(shí)驗(yàn)中，需把樣品池內(nèi)海水鹽度保持在24.00，然后用熱電偶溫度計(jì)(TASI-8620)實(shí)時監(jiān)測樣品池內(nèi)海水溫度。開啟溫控加熱平臺加熱樣品池，使樣品池內(nèi)海水溫度從26.00 ℃增加至37.70 ℃。不同溫度海水中傳感器的輸出光譜如圖9所示。為了探究傳感器對海水溫度的靈敏度，仍追蹤輸出光譜波谷1與波谷2的漂移情況，可以看出，兩個波谷都隨著溫度的增加而向短波長方向移動。圖10、11分別為波谷1和波谷2的波長對應(yīng)不同溫度的線性擬合曲線，得到波谷1和波谷2的溫度靈敏度分別為-745.00和-778.00 pm/℃。

圖9 在鹽度為24不同溫度的海水中輸出端口3的輸出光譜Fig.9 Transmission spectra of the output port 3 in seawater with different temperatures under salinity of 24

圖10 波谷1的波長隨溫度的變化曲線Fig.10 The relationship between the wavelength of temperatures and the dip1

圖11 波谷2的波長隨溫度的變化曲線Fig.11 The relationship between the wavelength of temperatures and the dip2

3.3 鹽度與溫度同時測量

通過以上兩個實(shí)驗(yàn)，得知海水鹽度和溫度的變化都會導(dǎo)致耦合器輸出光譜的漂移，使各個波谷的位置發(fā)生改變。當(dāng)只有鹽度或溫度改變時，鹽度與溫度所造成的波谷漂移情況也不相同。當(dāng)海水鹽度與溫度同時改變時，它們將共同決定波谷的最終位置。所以，鹽度、溫度與兩個波谷位置的關(guān)系可以用靈敏度矩陣表示為：

(4)

式中：λ1，λ2分別為波谷1與波谷2漂移后最終的波長；S，T分別為當(dāng)前海水的鹽度與溫度。(4)式表明，海水鹽度、溫度改變值與波谷漂移量的關(guān)系可由以靈敏度為系數(shù)所建立2×2矩陣決定。所以，只要知道了兩波谷波長，就可以直接計(jì)算出當(dāng)前海水的溫度與鹽度。

為了檢驗(yàn)耦合器對于海水溫度鹽度測量的準(zhǔn)確性，在完成測溫實(shí)驗(yàn)后，待樣品池內(nèi)海水自然冷卻，向其加入適量溫度為2.30 ℃的蒸餾水來改變海水的溫度與鹽度，以作為測試樣品，其輸出光譜如圖12所示。用鹽度計(jì)與熱電偶溫度計(jì)檢測出測試樣品的鹽度與溫度分別為23.00與24.20 ℃，測量并經(jīng)(4)式計(jì)算得出的鹽度與溫度分別為23.78與23.24 ℃，測量的相對誤差分別為3.39 %與3.97 %?？梢?，本文所設(shè)計(jì)的微光纖傳感器可同時測量海水鹽度溫度。

圖12 測試樣品的輸出光譜Fig.12 Transmission spectra of sample for testing

本文所研制的微光纖耦合器最大鹽度靈敏度是微光纖環(huán)形諧振腔[4,25]的7～75倍(21～208 pm/‰)、光子晶體光纖[26-27]的119～144倍(11.00～13.00 pm/‰)、雙芯光纖[28]的6倍(252.00 pm/‰)；其最大溫度靈敏度是布拉格光纖光柵[29-30]的39～78倍(10.00～20.00 pm/℃)、馬赫曾德爾干涉儀[7,18]的3～10倍(81.00～239.00 pm/℃)。這表明本文研制的微光纖耦合器有較高的鹽度與溫度靈敏度，為海洋探測提供一種新型高靈敏度的光學(xué)探測方法。

4 結(jié)語

本文研制了一種可用于海水鹽度溫度同時測量的2×2四端口微光纖耦合器傳感裝置。利用耦合器倏逝場對周圍介質(zhì)折射率的高靈敏度，以及偶超模與奇超模在均勻腰區(qū)傳播時累積的相位差所形成的干涉譜，完成了對海水鹽度與溫度的同時測量。通過追蹤輸出光譜在1 541.65 和1 572.82 nm波長附近的兩個波谷隨著鹽度與溫度的變化，分別得到鹽度靈敏度為1 418.00和1 600.00 pm/‰、溫度靈敏度為-745.00和-778.00 pm/℃的靈敏度矩陣。利用靈敏度矩陣建立起鹽度、溫度與兩波谷位置的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了對任意待測海水樣品的鹽度和溫度同時測量。通過傳感器與鹽度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)的任意樣品實(shí)測數(shù)據(jù)對比，表明此傳感器具有很好的準(zhǔn)確度。

此外，也可以在該傳感器腰區(qū)表面涂覆特異性物質(zhì)，進(jìn)行硝酸鹽、葉綠素等其他參數(shù)的測量，可拓展微光纖傳感在海洋探測中的應(yīng)用。