微納光纖耦合應(yīng)變傳感器

彭保進(jìn)，李連琴，馬倩倩，王夢(mèng)嬌，王增輝

（浙江師范大學(xué)信息光學(xué)研究所，浙江金華321004）

1 引 言

光纖耦合器是一種對(duì)光波長(zhǎng)、偏振光和光功率的比例分配與合成的重要無源器件。在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)在耦合區(qū)域發(fā)生交替轉(zhuǎn)移，首先在纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓鈺?huì)向包層擴(kuò)散，然后通過包層耦合到旁邊的光纖內(nèi)，即光信號(hào)從直通臂耦合到耦合臂中［1-2］。光纖耦合應(yīng)變傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)體積較大的光學(xué)儀器更易于實(shí)現(xiàn)小型化和便攜化［3-6］，因此，近年來成為研究熱點(diǎn)。

應(yīng)變測(cè)量在大型建筑結(jié)構(gòu)的安全控制和航空航天領(lǐng)域起到非常重要的作用［7-9］。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種類型的光纖結(jié)構(gòu)用于應(yīng)變傳感，如光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）［10-11］、長(zhǎng)周期光柵［12-13］、光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）［14］。Kuwahara 等人將多根多模光纖纏繞在一起，同時(shí)把耦合區(qū)浸沒在匹配液中，通過這種方法成功研制出世界上第一個(gè)光纖耦合器［15］。Yamamoto 等人利用化學(xué)腐蝕的方法，完成了錐形結(jié)構(gòu)光纖耦合器的制作［16］。Kawasaki 和Hill 把熔融和拉伸兩種工藝結(jié)合在一起，首次成功制作了熔錐型耦合器［17］。Sun 等人提出了一種自動(dòng)電弧放電技術(shù)，通過使用商業(yè)融合成螺旋形地扭曲的長(zhǎng)周期光纖光柵（H-LPFGs）［18］，結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)變靈敏度大約為1.88 pm/με，而拉伸應(yīng)變?chǔ)苔?從0 提高到480。Dash 等人報(bào)道一個(gè)緊湊的石墨烯氧化物（去）涂覆PCF干涉儀，基于簡(jiǎn)單的裂開和拼接SMF 和PCF 的應(yīng)變傳感器［19］，這種傳感器的靈敏度為3.1 pm/με。Duan 等人證明了全光纖光學(xué)FPI 應(yīng)變傳感器的腔是一個(gè)微小的氣泡，應(yīng)變靈敏度約為4 pm/με［20］。陳劍等人研究了一種玻璃纖維封裝的FBG 應(yīng)變傳感器［21］，這種傳感器的靈敏度為1.195 pm/με。2020 年，郝子鑒等人提出一種基于拉錐FBG 的法布里-珀羅應(yīng)變傳感器的仿真研究［22］，在0～300 με 內(nèi)應(yīng)變傳感靈敏度為7.05 pm/με。

然而，上述傳感器的靈敏度較低，并且制作工藝復(fù)雜。本文提出一種高靈敏度的微納光纖耦合應(yīng)變傳感器，采用拉錐技術(shù)和光電技術(shù)，利用拉錐后的強(qiáng)倏逝場(chǎng)特性，探究其傳光特性，并進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。該傳感器性能良好，具有制作工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好和集成度高等特點(diǎn)，在安全檢測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 傳感器制作及原理分析

2.1 傳感器的制備

采用光纖拉錐機(jī)制作微納光纖，將一根單模光纖（型號(hào)：G652D）與光源和光譜儀連接，剝掉中間部分約2 cm 長(zhǎng)的涂覆層，用無塵紙蘸取少量酒精搽拭干凈，將單模光纖放置在拉錐平移臺(tái)上。再取用一段單模光纖（長(zhǎng)度約為9 cm），同樣將光纖中間剝掉約2 cm 長(zhǎng)的涂覆層，將兩根光纖放在拉錐平臺(tái)的通道中并進(jìn)行打結(jié)（如圖1（a）所示）。利用微納光纖以及常規(guī)光纖3 dB 耦合器研制技術(shù)，制作出微光纖耦合器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（b）所示。微光纖耦合器的組成部分可分為兩個(gè)錐形過渡區(qū)和一個(gè)中間均勻腰區(qū)，并帶有4個(gè)尾纖端口。該傳感器的制作是在長(zhǎng)度為2.5 cm 左右的范圍內(nèi)纏繞2～3 圈，光纖具有較好的抗拉性。

2.2 傳感原理

圖1 光纖拉錐耦合結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of fiber optic tapering coupling structure

微納光纖耦合傳感器如圖1（b）所示，拉錐后的耦合器可分為強(qiáng)耦合區(qū)和弱耦合區(qū)。運(yùn)用模式耦合理論進(jìn)行分析，兩根光纖中傳輸?shù)墓鈺?huì)在錐區(qū)部分進(jìn)行能量耦合交換。隨著耦合區(qū)的加長(zhǎng)，能量的耦合交換呈現(xiàn)周期性變化［23］。

耦合模理論廣泛地應(yīng)用于光波導(dǎo)和波導(dǎo)器件的分析和設(shè)計(jì)中［24-26］。在逐漸拉錐光纖的過程中，光的模場(chǎng)耦合非常劇烈，此時(shí)可以忽略光纖纖芯。在耦合部分將原光纖包層視為纖芯，周圍環(huán)境視為包層，形成一個(gè)新的復(fù)合波導(dǎo)，此時(shí)強(qiáng)融合系數(shù)的表達(dá)式為［27-28］：

其次，在弱融模式下，熔錐形單模光纖耦合器的耦合系數(shù)表示式可以簡(jiǎn)化成［27］：

強(qiáng)耦合系數(shù)和弱耦合系數(shù)沿z軸的積分在耦合區(qū)可以確定入射光通過的光纖與耦合光通過的光纖之間的相位差，并表示為［27］：

對(duì)于測(cè)試傳感器的應(yīng)變響應(yīng)性能，不同應(yīng)變參數(shù)使耦合器的耦合區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致耦合器的耦合長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化。考慮耦合區(qū)長(zhǎng)度Leff的變化對(duì)耦合輸出的影響。應(yīng)變后傳感器的耦合輸出可以表示為［29-31］：

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

首先，將兩端單模光纖通過光纖熔接機(jī)進(jìn)行放電熔接，然后將兩根單模光纖置于拉錐平臺(tái)（型號(hào)：IPCS-5000-SMT）上，圖2 是制備的微納光纖操作圖。通過電腦控制步進(jìn)電機(jī)，觀察電腦上設(shè)置的氫氣流量參數(shù)是否與氫氣發(fā)生器一致，點(diǎn)燃?xì)錃?，在電腦端設(shè)置所需數(shù)據(jù)參數(shù)，待火焰穩(wěn)定后啟動(dòng)光纖拉錐機(jī)。

圖2 微納光纖拉制系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of micro-nano fiber drawing system

圖3 為高靈敏度光纖耦合應(yīng)力傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置。將制作好的光纖耦合器采用M-Bond 600型黏結(jié)劑粘在楊氏模量?jī)x的鋼絲上，將傳感器的兩端分別連接寬帶光源和光譜儀。待楊氏模量?jī)x的鋼絲達(dá)到平衡后，依次增加砝碼質(zhì)量，觀察光譜儀的譜線變化并記錄數(shù)據(jù)。砝碼質(zhì)量與光纖應(yīng)變的關(guān)系表示為［32］：

式中：m是砝碼的質(zhì)量，g是重力常數(shù)，S是鋼絲的橫截面積，Y是鋼絲的楊氏模量，ε是光纖應(yīng)變。

圖3 高靈敏度光纖耦合應(yīng)力傳感器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of experimental devices for high-sensitive optical fiber coupled stress sensor

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖4 所示是在顯微鏡下拉錐后的光纖圖像，從圖中可以看出均勻腰區(qū)已基本熔錐成一根微光纖。圖4（a）的拉錐長(zhǎng)度為40 mm，耦合直徑為18.961 μm；圖4（b）的拉錐長(zhǎng)度為41 mm，耦合直徑為13.343 μm。圖5 所示是光纖拉錐前后的干涉光譜，當(dāng)拉錐長(zhǎng)度為40 mm 時(shí)，自由光譜范圍為13.485 nm，消光比分別為15.777，12.986 dBm；拉錐長(zhǎng)度為41 mm 時(shí)，自由光譜范圍分別為9.259 7，8.450 6 nm，消光比分別為12.869，10.866 dBm。實(shí)驗(yàn)表明，通過減小耦合器耦合部分的尺寸，提高了傳感器的靈敏度。錐區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，干涉譜的自然光譜范圍和消光比越小，得到［7］：

式中：Δλ是兩個(gè)相鄰波谷之間的距離，Δneff是纖芯和包層之間的有效折射率之差，L是干涉儀的干涉長(zhǎng)度。

圖4 不同拉錐長(zhǎng)度的光纖顯微鏡圖像Fig. 4 Microscope images of optical fiber with different pulling cone lengths

圖6（a）所示是不同應(yīng)變?cè)诶F長(zhǎng)度為40 mm 時(shí)的透射光譜。當(dāng)傳感器的縱向應(yīng)變逐漸增加時(shí)，干涉譜線發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?09.860 με～559.287 με 時(shí)，對(duì)干涉譜中的波谷進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，3 個(gè)波谷的線性擬合結(jié)果如圖7（a）所示。從圖中可以看出，傳感器dip1 的靈敏度為16.2 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.9%；傳感器dip2 的靈敏度為15.7 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.84%；傳感器dip3 的靈敏度為18.9 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.98%。由此可知，該傳感器具有線性度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 不同拉錐長(zhǎng)度光纖的透射光譜Fig. 5 Transmission spectra of optical fiber with different pulling cone lengths

圖6 不同應(yīng)變下光纖的透射光譜Fig. 6 Transmission spectrogram of optical fiber under different strains

圖7 應(yīng)變與波長(zhǎng)的擬合關(guān)系Fig. 7 Fitting curves of strain and wavelength

圖6（b）所示是不同應(yīng)變?cè)诶F長(zhǎng)度為41 mm 時(shí)的透射光譜。當(dāng)傳感器的縱向應(yīng)變逐漸增加時(shí)，干涉譜線發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)應(yīng)變?cè)?09.860 με～559.287 με 變化時(shí)，譜線發(fā)生明顯的漂移，該傳感器具有很好的響應(yīng)性。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖7（b）所示，傳感器dip1 的靈敏度為19.9 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.9%；傳感器dip2 的靈敏度為18.85 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.7%；傳感器dip3 的靈敏度為19.84 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.9%；傳感器dip4 的靈敏度為20.35 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)為99.9%。

圖8（a）所示是不同應(yīng)變?cè)诶F長(zhǎng)度為40 mm 的透射光譜，當(dāng)傳感器的縱向應(yīng)變逐漸增加時(shí)，干涉譜線發(fā)生紅移。當(dāng)應(yīng)變?cè)?59.287 με～109.860 με 變化時(shí)，對(duì)干涉光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，3個(gè)波谷的線性擬合結(jié)果如圖9（a）所示。dip1，dip2，dip3 的靈敏度分別為14.53，14.34，15.59 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)分別為 99.816%，99.957%，99.869%。

圖8 不同應(yīng)變下光纖的透射光譜Fig. 8 Transmission spectrogram of optical fiber under different strains

圖9 應(yīng)變與波長(zhǎng)的擬合關(guān)系Fig. 9 Fitting curves of strain and wavelength

圖8（b）所示是不同應(yīng)變?cè)诶F長(zhǎng)度為41 mm 的透射光譜，當(dāng)傳感器的縱向應(yīng)變逐漸增加時(shí)，干涉譜線發(fā)生紅移。當(dāng)應(yīng)變?cè)?59.287 με～109.860 με 變化時(shí)，對(duì)干涉光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，4個(gè)波谷的線性擬合結(jié)果如圖9（b）所示，dip1，dip2，dip3，dip4 的靈敏度分別為19.96，19.15，19.65，20.14 pm/με，相關(guān)線性系數(shù)分別為99.675%，99.893%，99.909%，99.9%。通過對(duì)不同直徑的傳感器進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出該傳感器具有較好的可逆性與穩(wěn)定性。

圖10 不同溫度下譜線漂移的變化Fig. 10 Variation of spectral line drift at different temperatures

圖11 不同波谷下溫度與波長(zhǎng)的線性擬合Fig. 11 Linear fitting of temperature and wavelength at different troughs

圖10 為不同溫度下光纖的透射光譜，在38～82 ℃內(nèi)，隨著溫度的不斷升高，譜線發(fā)生藍(lán)移。如圖11 所示，dip1，dip2，dip3 特征波長(zhǎng)的漂移量的線性擬合度分別為0.963 22，0.956 51，0.949 44，dip1，dip2，dip3 的溫度靈敏度分別為235.1，230.86，224.26 pm/℃。因干涉波谷對(duì)應(yīng)變和溫度具有不同的敏感特性，利用雙參量系數(shù)矩陣可以解決溫度影響的交叉敏感問題。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于高靈敏度微納光纖耦合器應(yīng)變傳感器。采用微納光纖拉制平臺(tái)，通過在線監(jiān)測(cè)及光譜分析手段，對(duì)微光纖耦合器不同拉制階段的傳輸損耗特性、波長(zhǎng)選擇特性和模式耦合特性等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。制作出具有良好光學(xué)特性、以耦合器為連接端口的“微納光纖”，并開展了應(yīng)變傳感的理論與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)微納光纖耦合器的直徑為13.343～18.961 μm時(shí)，傳感器的應(yīng)變靈敏度會(huì)隨著耦合直徑的減小而增大。通過熔融拉錐法制備了直徑為13.343 μm 的光纖耦合器，得到了20.35 pm/με 的高靈敏度傳感器，并解決了溫度對(duì)應(yīng)變引起的交叉敏感問題。該傳感器穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊且成本較低，在高靈敏度大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。