基于Mach-Zehnder干涉光纖濕度傳感器研究進(jìn)展*

王一飛， 王夢(mèng)夢(mèng)， 文 豐， 楊嘯宇， 華爾天， 閆樹(shù)斌,

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051;2.浙江水利水電學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

相對(duì)濕度檢測(cè)[1～4]在農(nóng)業(yè)、食品加工、生物醫(yī)學(xué)、氣象服務(wù)、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用，這些測(cè)量對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有非常重要的意義。光纖濕度傳感器[5～8]與傳統(tǒng)的電子濕度傳感器相比具有體積小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)，可以在易燃易爆、高溫高壓等極端惡劣環(huán)境中工作，同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力和較高的靈敏度。因此，光纖濕度傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引起了研究者的廣泛關(guān)注。

Mach-Zehnder干涉(MZI)[8]是指由光源發(fā)出的兩個(gè)頻率相同、偏振方向一致、相位差恒定的光波，在相遇的空間區(qū)域會(huì)發(fā)生光強(qiáng)重新分配的現(xiàn)象，即雙光束干涉現(xiàn)象。MZI結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括制造工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)光纖進(jìn)行熔接或拉錐處理，即可形成穩(wěn)定的干涉結(jié)構(gòu)。它具有穩(wěn)定性強(qiáng)，受外界干擾小，結(jié)構(gòu)緊湊，易于制作等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，以MZI結(jié)構(gòu)為傳感單元的新一代濕度傳感器，成為濕度傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文介紹了基于MZI光纖濕度傳感器的原理及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，對(duì)目前各種類型光纖干涉結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)未來(lái)基于MZI光纖濕度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 基于MZI光纖濕度傳感器的工作原理

傳感器的基本原理是利用光纖微制作技術(shù)，使光纖的芯徑發(fā)生改變，當(dāng)光在芯徑突變處傳播時(shí)會(huì)激發(fā)光纖的包層模，使包層模和纖芯模分別沿著光纖的方向傳播，在經(jīng)過(guò)下一個(gè)芯徑突變處時(shí)，包層模和纖芯模會(huì)重新匯合，從而形成了MZI。由于包層模的模場(chǎng)在傳播時(shí)會(huì)通過(guò)倏逝場(chǎng)的形式滲透到光纖外，當(dāng)外界濕度變化時(shí)，會(huì)影響到包層模的模場(chǎng)分布，進(jìn)而可以觀測(cè)到干涉光譜的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的檢測(cè)。

2 基于MZI光纖濕度傳感器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

光纖微加工技術(shù)的發(fā)展為基于MZI光纖濕度傳感器的研究帶來(lái)了極大的便利。根據(jù)制作原理的不同，傳感器大致可以分為兩類：錐型和纖芯失配型。

2.1 錐 型

錐型干涉[6]的制作原理是使用拉錐或熔融法，使得光纖的直徑發(fā)生突變(變細(xì)或變粗)，從而在傳播過(guò)程中激發(fā)光纖的包層模。

2013年，暨南大學(xué)Tan Y等人[9]將一根單模光纖(single mode fiber,SMF)通過(guò)拉錐形成兩個(gè)直徑為3.8 μm的錐區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，兩個(gè)錐區(qū)分別起到了分束器和組合器的作用，實(shí)現(xiàn)了基模和包層模之間的能量轉(zhuǎn)移；該傳感器具有97.76 pm/%RH的濕度響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為188 ms，同時(shí)溫度靈敏度僅為4.74 pm/℃。在不同濕度下的干涉光譜分布如圖2(a)所示，從圖中可以看出隨著相對(duì)濕度的增加諧振波長(zhǎng)發(fā)生了明顯的漂移。2015年，南開(kāi)大學(xué)Liu H等人[10]采用簡(jiǎn)單的熔融法，將單模光纖制作為S錐形，并在S錐區(qū)上涂覆了SiO2納米薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在83.8 %～95.2 %RH的高濕環(huán)境中，濕度靈敏度達(dá)到了1.171 8 nm/%RH，該結(jié)構(gòu)在涂覆薄膜后濕度靈敏度有了較大的提升。2016年，中國(guó)計(jì)量大學(xué)Wang Y等人[11]通過(guò)熔接SMF，在熔接處形成了兩個(gè)如圖1(b)所示的腰部放大的錐區(qū)，并在兩個(gè)錐區(qū)之間包覆了一層氧化石墨烯(graphene oxide,GO)/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)復(fù)合膜，設(shè)計(jì)了一種基于強(qiáng)度檢測(cè)的MZI濕度傳感器，在25 %～80 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.193 dB/%RH,不同濕度下的干涉光譜分布如圖2(b)所示；從圖中可以看出隨著濕度增加，諧振波長(zhǎng)的漂移量很小，而諧振波谷明顯的變淺。同年，Lokman A等人[12]利用類似的結(jié)構(gòu)在兩個(gè)錐區(qū)之間涂覆了一層ZnO納米薄膜，提出了一種基于波長(zhǎng)漂移的濕度傳感器，濕度靈敏度達(dá)到了0.02 nm/%RH?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，2017年，中國(guó)計(jì)量大學(xué)Ni K等人[13]在兩個(gè)錐區(qū)之間沉積了一層殼聚糖(chitosan)薄膜，在10 %～90 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度達(dá)到了119.6 pm/%RH，該傳感器具有較大的測(cè)量范圍和較高的靈敏度，但由于殼聚糖材料的溫敏特性，溫度靈敏度也達(dá)到了57.9 pm/℃，溫度變化對(duì)濕度檢測(cè)的干擾較大。錐型干涉具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得這種類型的干涉更適合于實(shí)際應(yīng)用。此外，由于此類干涉具有快速響應(yīng)的傳感特性，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕度變化，但由于光纖的錐形傳感區(qū)結(jié)構(gòu)非常脆弱，容易受到光源波動(dòng)，平臺(tái)震動(dòng)等因素的干擾，同時(shí)較大的整體尺寸，也限制了其在微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

圖1 錐形光纖傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 不同濕度下干涉光譜分布

2.2 纖芯失配型

纖芯失配型的制作原理即為通過(guò)熔接不同芯徑的光纖，造成纖芯直徑不匹配去激發(fā)光纖的包層模，根據(jù)熔接光纖類型的不同，又可分為以下幾類。

2.2.1 光子晶體光纖

2013年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Noor M Y M等人[14]利用光纖熔接機(jī)將SMF—光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)-SMF三段熔接，利用PCF和SMF的芯徑不同，形成如圖3(a)所示MZI結(jié)構(gòu)。在60 %～80 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為60.3 pm/%RH，在80 %～95 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為188.3 pm/%RH,傳感器響應(yīng)時(shí)間為1 s，該傳感器的溫度靈敏度僅為0.5 pm/℃。同年，都柏林理工學(xué)院Mathew J等人[15]首次提出了基于濕敏材料涂覆的干涉型PCF濕度傳感器。通過(guò)在PCF表面上涂覆了一層瓊脂糖薄膜聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA),實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量。在40 %～80 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.57 nm/%RH,在80 %～95 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為1.43 nm/%RH,響應(yīng)時(shí)間為86 ms,溫度靈敏度為0.27 nm/℃。涂覆濕敏薄膜后傳感器的靈敏度和量程范圍均有了較大的提升，但由于涂覆材料具有一定的溫敏特性，溫度對(duì)濕度測(cè)量的干擾也在增大。之后Mathew J等人[16]又研究了在不同涂覆層厚度下的濕度響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)選擇最佳的涂層厚度可以獲得最高的靈敏度；2017年，西班牙納瓦雷公立大學(xué)Lopez T D等人[17]通過(guò)在PCF上沉積了一層由烯丙基胺酸鹽(PAH)和丙烯酸(PAA)聚合物組成的納米薄膜，實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量，通過(guò)對(duì)涂覆工藝的改進(jìn)，可以對(duì)納米膜的厚度進(jìn)行精準(zhǔn)的控制以及重復(fù)的制作;此外，還利用快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)對(duì)濕度傳感器的響應(yīng)做了線性化處理，提出了通過(guò)檢測(cè)相位位移改變來(lái)檢測(cè)濕度變化，在20 %～95 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.86 mrad/%RH,響應(yīng)時(shí)間約為0.3 s，該傳感器克服了以往涂膜不均勻，響應(yīng)線性相關(guān)性差等不足，可實(shí)現(xiàn)傳感器的重復(fù)制作。2018年，西北大學(xué)張攀等人[18]通過(guò)將薄壁的柚子型光子晶體光纖(grapefruit PCF,G-PCF)與一段多模光纖(multi-mode fiber,MMF)熔接，同時(shí)利用飛秒激光去除G-PCF部分包層,形成如圖3(b)所示的MZI結(jié)構(gòu)，通過(guò)中間熔接的多模光纖可以增強(qiáng)高階模的激發(fā)，提高靈敏度。濕度和溫度靈敏度分別為-0.077 dB/%RH,為3.3 pm/℃,相對(duì)濕度的改變主要引起干涉光譜強(qiáng)度的變化，而溫度的改變主要引起干涉光譜波長(zhǎng)的漂移，利用這種特性該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的交叉測(cè)量。

圖3 基于PCF傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.2 多模光纖

2014年，西北工業(yè)大學(xué)Shao M等人[19]在多模光纖(MMF)兩端熔接SMF形成如圖4所示的干涉結(jié)構(gòu)，通過(guò)MMF和SMF熔融產(chǎn)生的兩個(gè)擴(kuò)大的腰錐增強(qiáng)了包層模式的激發(fā),在35 %～90 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.119 dB/%RH,溫度響應(yīng)僅為3 pm/℃,該傳感器具有良好的溫度不敏感特性。同年，中國(guó)計(jì)量大學(xué)An J等人[20]在MMF表面涂覆了一層PVA薄膜實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量，在35 %～85 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.233 nm/%RH。溫度響應(yīng)為80.2 pm/℃，涂覆薄膜后濕度靈敏度有了明顯的增加，但溫度對(duì)濕度測(cè)量的影響也在增大。2018年，陜西榆林學(xué)院Cheng J N等[21]將SMF和MMF橫向偏置熔接形成了MZI干涉，在35 %～95 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為-0.048 7 dB/%RH。響應(yīng)時(shí)間為14.1 s。

圖4 基于MMF傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.3 無(wú)芯光纖

2016年,中國(guó)計(jì)量大學(xué)Miao Y等人[22]在錐形方形無(wú)芯光纖(tapered square no-core fiber,TSNCF)兩端熔接SMF，形成如圖5所示的干涉結(jié)構(gòu)，并在TSNCF表面涂覆了一層對(duì)濕度敏感的SiO2納米薄膜，在83 %～96.6 %RH范圍內(nèi)，靈敏度達(dá)到了584.2 pm/%RH，溫度響應(yīng)僅為6 pm/℃,該傳感器在高濕環(huán)境中同樣具有很高的靈敏度，同時(shí)溫度變化對(duì)其測(cè)量的影響很小。2017年，天津大學(xué)Xu W等人[23]在無(wú)芯光纖表面包覆了一層PMMA薄膜，產(chǎn)生了多模干涉。在30 %～75 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為-149 pm/%RH,響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為4.8 s和7.1 s，響應(yīng)較慢。涂覆薄膜后在低濕環(huán)境中的濕度靈敏度有了很大的提高。

圖5 基于NCF傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.4 其他光纖

2016年，西北大學(xué)Liu N等人[24]在兩個(gè)SMF之間熔接了一段長(zhǎng)度為8 mm的空芯光纖，利用空芯光纖的纖芯直徑與SMF的纖芯直徑不同，光在熔接點(diǎn)處激發(fā)了包層模從而形成了干涉。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了當(dāng)外界環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，干涉譜線的透射強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變，濕度靈敏度為0.005 42 dB/%RH，溫度靈敏度為5.5 pm/℃。2018年,華南師范大學(xué)Liu S等人[25]提出了一種基于SMF纖芯偏置的濕度傳感器，該傳感器由3個(gè)SMF組成，通過(guò)纖芯偏移拼接而成。在偏芯的SMF表面涂有氧化石墨烯(GO)薄膜，在30 %～60 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為0.104 dB/%RH,響應(yīng)曲線具有良好的線性相關(guān)性。2019年，廈門(mén)大學(xué)Lei X Q等人[26]提出了一種基于雙模光纖(dual-mode fiber,DMF)的新型濕度傳感器，在DMF兩端熔接SMF并在其表面涂覆一層聚酰亞胺(polyimide,PI)薄膜，在30 %～98 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為153.5 pm/%RH，響應(yīng)時(shí)間為105 s,響應(yīng)較慢。

纖芯失配型干涉即通過(guò)熔接不同芯徑的光纖可以形成穩(wěn)定的干涉，較錐形干涉相比具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)熔接后的結(jié)構(gòu)具有較好的密封性，可以防止在傳感器制造后任何污染物進(jìn)入光纖內(nèi)部對(duì)傳感器的測(cè)量造成影響。但由于熔接光纖類型的不同，部分類型的光纖成本較高，同時(shí)為了提高靈敏度往往需要涂覆濕敏薄膜，但涂覆薄膜使得傳感器需要額外的工藝，這是一個(gè)復(fù)雜且難以控制均勻性的過(guò)程，且對(duì)傳感器的響應(yīng)時(shí)間和壽命產(chǎn)生一定的影響；另一方面，涂層材料具有一定的溫敏特性，溫度會(huì)對(duì)使測(cè)量誤差增大，影響測(cè)量的精度。

本文圍繞近年來(lái)涉及基于MZI干涉光纖濕度傳感器的相關(guān)研究論文，對(duì)用于測(cè)量相對(duì)濕度的不同干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。表1總結(jié)了這類濕度傳感器的傳感特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

表1 基于MZI光纖濕度傳感器的性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了基于MZI光纖濕度傳感器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，雖然該領(lǐng)域近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是仍然有很多關(guān)鍵性技術(shù)需要研究和探索，如錐形干涉測(cè)量的穩(wěn)定性；纖芯失配型仍需提高濕度靈敏度；涂覆濕敏薄膜后溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及濕敏材料的復(fù)用性等問(wèn)題。隨著對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步研究探索和相關(guān)光纖微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型特種光纖將會(huì)被廣泛的應(yīng)用其中，同時(shí)使用熔接、拉錐或熔融、鍍膜等一種或多種工藝來(lái)不斷提高傳感器的性能參數(shù)。基于MZI干涉光纖濕度傳感器必將在濕度測(cè)量傳感領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用。