一種新型光纖MZI折射率傳感器

關壽華

(大連民族大學 物理與材料工程學院，遼寧 大連116605)

全光纖折射率傳感器由于在生物、化學、環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣泛應用，因此受到了日益增長的關注和研究。光纖折射率傳感機制有很多,光纖布喇格光柵、長周期光纖光柵、光纖馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer, MZI)等等。其中，光纖MZI由于結構緊湊、制備和探測都很簡便，因此受到廣泛重視，但絕大多數(shù)的光纖MZI都是基于熔接或小偏芯連接技術制成[1-2]，由于是把纖芯基模耦合到高次模，因此折射率靈敏度不高[3]。而光纖開腔MZI折射率傳感器[4]對模式耦合方式的改進，極大提高了折射率靈敏度，而且還保留了原有的優(yōu)點。此外，光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)這一新型光纖，也成為研制新型高靈敏度光纖折射率傳感器的重要載體。例如：將被測液體或氣體充入到基于光子晶體光纖的長周期光柵[5-6]、布喇格光柵[7]、薩格納克干涉儀[8]等器件的氣孔內來測量折射率，都獲得了很高的靈敏度。但與這些高靈敏度光纖折射率傳感器相比，橫向大偏置結構(Large lateral offset structure, LLOS)光纖開腔MZI[4,9]，不但制備十分簡便，只需要用到光纖熔接機，而且折射率靈敏度高、探測方便、響應速度快，值得深入研究和探索。

本文設計了階梯式橫向大偏置結構光纖MZI(Staged LLOS MZI, SLLOS-MZI)，分析了干涉機制及折射率傳感特性，并在一種實芯光子晶體光纖中制備了SLLOS-MZI (SLLOS-PCF-MZI)，測試其折射率傳感特性，其靈敏度約為-4 614.9 nm·RIU-1。SLLOS-PCF-MZI傳感器制備簡單、操作簡便、靈敏度高，在檢測液體或氣體的濃度、折射率等方面具有較大的應用前景和推廣價值。

1 基本原理

SLLOS-PCF-MZI的結構特點是， PCF與兩側光纖熔接時，橫向偏離約62.5 μm，如圖1。

當一束光從輸入單模光纖(Single mode fiber, SMF)輸入，在輸入光纖與PCF的熔接處分成兩束，一束在PCF中傳輸，該束光在中間光纖與輸出單模光纖熔接處再分成兩束，一束直接進入輸出光纖，另一部分進入外部環(huán)境中傳輸，再進入輸出光纖，兩束光在輸出光纖中匯成一束，形成干涉，其干涉譜為：

(1)

當(1)式中余弦函數(shù)的相位值為(2m+1)π時(m為整數(shù))，I將達到最小值Imin(波谷)，設λvm代表第m級波谷的中心波長，當環(huán)境介質從ns變成ns+Δns時，λvm將漂移，設漂移到λvm+Δλvm，則可以推出[9]：

(2)

2 實驗與結果分析

2.1 SLLOS-PCF-MZI的制作與討論

制備MZI所用的PCF是SM-10型實芯PCF，包層直徑為125 μm，有3層空氣孔，孔直徑約為5.4 μm，孔間距約為8 μm，氣孔在橫截面上排列成六邊形。實驗中，采用手動模式在商業(yè)光纖熔接機上制備 SLLOS-PCF-MZI。首先，在熔接機上，根據(jù)互成90°角雙攝像頭的監(jiān)控，將一段PCF與輸入SMF調節(jié)對齊，再調節(jié)橫向偏離約62.5 μm，將兩光纖的間距調整合適之后，熔接在一起；取下后用光纖切割刀將PCF的多余部分切去；再將PCF與輸出SMF一起放入光纖熔接機，仔細調節(jié)使兩光纖對齊，再調節(jié)橫向偏離約62.5 μm，然后熔接在一起，最后形成結構如圖2，制成SLLOS-PCF-MZI。用30倍讀數(shù)顯微鏡觀測發(fā)現(xiàn)，處于SLLOS-PCF-MZI中間的PCF的長度約為327μm，并且PCF要比兩側SMF更亮一些。

SLLOS-PCF-MZI在空氣和水中的透射譜及相應的空間頻譜如圖3。由圖3(a)可以看出，該SLLOS-PCF-MZI的插入損耗在空氣中約為-49.83 dB，放入水中，減小約為-46.17 dB，同時條紋可見度和自由光譜范圍也得到改善。這一現(xiàn)象在光纖開腔MZI折射率傳感器[9-10]中已經(jīng)有過相關報道，主要是因為環(huán)境介質換成液體，減小了光纖端面處的散射損耗和非傳導模損耗。根據(jù)圖3(b)中的空間頻譜可以發(fā)現(xiàn)，在空氣中時呈現(xiàn)多模干涉形態(tài)，其中第2模式的幅度與第3、4模式相差不是很大。但浸入水后，第3、4模式減小到極弱的程度，而第2模式有所增強，呈現(xiàn)雙模干涉形態(tài)，因此條紋可見度增大到約11.2 dB，自由光譜范圍改善。因此，SLLOS-PCF-MZI更適合基于液體折射率或濃度的傳感領域。

2.2 SLLOS-PCF-MZI折射率特性測試與結果討論

對中間PCF長約327 μm的SLLOS-PCF-MZI的折射率傳感特性進行了實驗測試，所用實驗裝置如圖4。

光譜分析儀si720的掃描光源和光探測器分別與MZI傳感器的兩端相連，以便測試新型MZI的透射譜。調配好濃度不同的多份鹽溶液(折射率也不同)，并用阿貝折射儀測量出折射率。用鹽溶液浸沒MZI傳感器，等穩(wěn)定后觀測透射譜，再除去測試完的鹽溶液，并用去離子水多次清洗，最后晾干。更換不同鹽溶液，重復以上步驟，完成折射率傳感特性的測試。

該SLLOS-PCF-MZI傳感器的折射率傳感特性測試實驗結果如圖5。由圖5(a)可見，隨著所浸入鹽溶液折射率的增大，MZI傳感器透射譜向短波方向移動，符合理論分析的結果，并且和已經(jīng)報道的兩種光纖開腔MZI的傳感特性相同[4,10]。接近1530nm的波谷波長隨著鹽溶液折射率的增大向短波方向移動，計算出鹽溶液折射率相對去離子水折射率的增加量Δnout，并對該波谷波長隨鹽溶液折射率增加量Δnout的變化進行定量分析，見圖5(b)。分析結果表明：波谷波長對環(huán)境折射率變化的響應呈線性，R2因子達到0.997，折射率靈敏度達到-4614.9 nm·RIU-1。

基于綜合分析，在目前的眾多波長調制型光纖折射率傳感器中，SLLOS-PCF-MZI屬于折射率傳感特性比較強的一種類型，與光子晶體光纖長周期光柵的氣孔內折射率傳感特性相仿[11]，但與之相比，SLLOS-PCF-MZI制備簡單，操作方便，響應速度快，因此在應用中更具有優(yōu)勢。

3 結 語

本文設計了一種新型光纖MZI，階梯式橫向大偏置結構光纖MZI，理論分析了干涉原理和折射率傳感特性，并在實芯光子晶體光纖中成功制備，測試了折射率傳感特性，測試結果表明：透射譜對環(huán)境介質折射率變化的響應呈線性，折射率靈敏度超過-4 614.9 nm·RIU-1，并且制備簡單、測量響應快。在基于液體濃度或折射率變化的傳感領域，此種新型光纖MZI可以用來制成靈敏度高、響應速度快的微腔傳感器，具有較大的研究價值和應用前景。