偏心孔輔助的雙芯光纖器件及其應(yīng)用研究

楊 菁，金 緣，葉 鵬，關(guān)春穎

哈爾濱工程大學(xué)纖維集成光學(xué)教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001

1966年，高錕[1]首次提出光纖有望作為光的低損耗傳輸介質(zhì)，奠定了光信息時代的基礎(chǔ)。此后，以光纖為基礎(chǔ)發(fā)展起來的光纖傳感技術(shù)成為了信息領(lǐng)域的熱點。相繼出現(xiàn)了基于各種不同機(jī)理的光纖傳感器，如：長周期光纖光柵[2]、布拉格光纖光柵[3]、各種干涉儀[4-7]、耦合器[8-9]等。與傳統(tǒng)電子型傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、集成度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、易于實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等諸多優(yōu)勢，因此在航空航天、環(huán)境監(jiān)測、資源勘探、結(jié)構(gòu)監(jiān)測等眾多領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，不同領(lǐng)域?qū)饫w傳感器也提出了不同的要求。受傳統(tǒng)通信光纖結(jié)構(gòu)簡單的限制，光纖傳感器無論在性能還是測量維度等方面都難以滿足新的要求。特種光纖因具有靈活多變的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒏鼜?fù)雜的光路集成于單根光纖中來提升傳感器的性能；也能更容易地將功能材料與光纖相結(jié)合，擴(kuò)展光纖傳感器的傳感對象。多芯光纖、少模光纖和微結(jié)構(gòu)光纖是常見的三類特種光纖。多芯光纖在同一包層中含有多個獨(dú)立的纖芯，在空間上為傳感器的制備提供了更多維度。纖芯數(shù)量的增加使其可以將更多光路或光學(xué)結(jié)構(gòu)集成到一根光纖中，從而提高傳感器的集成度。如利用多芯光纖光柵進(jìn)行彎曲傳感，可同時辨別彎曲曲率和彎曲方向[10-12]；將多個干涉儀集成到單根多芯光纖內(nèi)部，可擴(kuò)展單個光纖傳感器的測量參數(shù)[13]；多芯光纖可用于實現(xiàn)多路干涉來提高干涉型傳感器的靈敏度[14-15]。多芯光纖除了可以用于拓展光路數(shù)量外，纖芯之間的耦合效應(yīng)也用于研制傳感器。如雙芯光纖兩纖芯間的共振耦合用于溫度[9]和彎曲傳感[16-17]。芯間距較小的多芯光纖會產(chǎn)生超模效應(yīng)，超模間的干涉已被用于實現(xiàn)應(yīng)變[18]、彎曲[19]、振動[20]、折射率[21]等參量傳感。少模光纖（few mode fiber,FMF）通常是指可以支持2～10 個模式傳輸?shù)亩嗄９饫w。相比于單模光纖（single mode fiber, SMF），少模光纖具有更大的信息承載量，可以有效拓展傳感器測量參量數(shù)量。如高階模式模場具有較好的方向可辨別性，可以通過檢測模場旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)傳感器解調(diào)[22]。此外，不同模式對不同參量變化的敏感性不同，用多個模式可實現(xiàn)多參量傳感器[23-24]。微結(jié)構(gòu)光纖（microstructured optical fiber, MOF）作為特種光纖的一類，因光纖橫截面具有特殊幾何或者折射率分布，而具備傳統(tǒng)光纖不具有的特點，如高雙折射、強(qiáng)倏逝場、低溫度敏感、易于集成功能材料等，因此受到光纖傳感領(lǐng)域的關(guān)注。純石英光子晶體光纖（photonic crystal fiber, PCF）芯模和包層模間的材料色散一致，可以有效降低干涉型傳感器的溫度串?dāng)_[4]。MOF 內(nèi)部空氣孔可以集成液體功能材料（如磁流體、熱敏材料等）來增加光纖敏感性，實現(xiàn)對磁場、溫度等物理量高靈敏度傳感[25-27]。在PCF 空氣孔中選擇性填充的液體可以充當(dāng)液芯與石英纖芯構(gòu)成干涉儀[28]或耦合器[29]。MOF 內(nèi)部空氣孔可以作為天然的微流通道[30-32]，微流傳感器具有靈敏度高、消耗待測樣品量小、液體與光作用距離長、生物兼容性好等優(yōu)點，在化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

近年來，利用特種光纖研制光纖傳感器已得到廣泛的研究。本文設(shè)計一種特殊的偏心孔輔助的雙芯光纖，詳細(xì)介紹了偏心孔輔助的雙芯光纖的設(shè)計及基本特性，在此基礎(chǔ)上介紹了多種基于偏心孔輔助的雙芯光纖的集成器件，并對其傳感機(jī)理和特性進(jìn)行了深入研究。

1 偏心孔輔助的雙芯光纖設(shè)計

偏心孔輔助的雙芯光纖（eccentric hole-assisted dual-core fiber, EHADCF）具有多芯、少模、空氣孔特點，能夠使一根光纖同時具有纖芯間耦合、多模傳輸、微流通道等特性。光纖結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a) 所示，光纖包含2 個纖芯，直徑為d1的纖芯位于包層中心，包層中有1 個直徑為d3的偏心空氣孔，空氣孔內(nèi)靠近中心纖芯的內(nèi)壁懸掛1 個直徑為d2的纖芯，如圖1 中虛線所示，懸掛纖芯與中心纖芯邊緣間距為L。圖2(a) 給出了EHADCF 幾個低階模式的色散曲線。在計算過程中，中心纖芯、懸掛纖芯、空氣孔、包層直徑分別為8.50 μm、11.20 μm、45.00 μm 和125.00 μm，懸掛纖芯與中心纖芯邊緣間距為7.50 μm，纖芯和包層折射率差為0.005。波長在1.10～1.25 μm 范圍內(nèi)，中心纖芯和懸掛纖芯都支持LP01和LP11兩個模式，中心纖芯和懸掛纖芯中的LP11模分別在1.25 μm 和1.37 μm 截止。即在常用的1.31 μm 波長處，中心纖芯為單模纖芯，而懸掛纖芯為雙模纖芯；在1.55 μm 波長處，兩個纖芯均為單模纖芯。兩纖芯基模有效折射率在波長為1.55 μm 處相等，滿足相位匹配條件，兩個模式將發(fā)生共振耦合，耦合時的奇模和偶模電場如圖2(b) 所示。圖2(c) 為光在EHADCF 中的傳輸情況，光從中心纖芯入射，傳輸一段距離后光會被完全耦合到懸掛纖芯中，然后再從懸掛纖芯耦合回中心纖芯，并以此往復(fù)。光從一個纖芯全部耦合到另一個纖芯所需的最短傳輸長度定義為耦合長度Lc，這里L(fēng)c為10.4 mm。由于兩纖芯尺寸和結(jié)構(gòu)不同，遠(yuǎn)離相位匹配波長兩個基模不能發(fā)生共振耦合，因此當(dāng)光纖長度為Lc的奇數(shù)倍時，中心纖芯透射光譜在1.55 μm 附近會出現(xiàn)共振峰，如圖2(d) 所示。

圖1 偏心孔輔助的雙芯光纖Figure 1 Eccentric hole-assisted dual-core fiber

圖2 EHADCF 模式及傳輸特性仿真分析Figure 2 Simulation analysis of mode and transmission characteristics of EHADCF

EHADCF 采用異尺寸雙纖芯設(shè)計使兩纖芯僅在相位匹配時發(fā)生共振耦合，而在非相位匹配波長時，兩纖芯可作為獨(dú)立傳輸通道用于光纖器件集成。同時，懸掛纖芯具有較大的直徑和芯包折射率差，在1.31 μm 波段為少模纖芯，可以設(shè)計此波段工作的少模光纖器件，并將單模器件與少模器件集成到一根光纖中。大空氣孔和懸掛纖芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計，便于功能材料或微流通道集成到光纖內(nèi)，懸掛纖芯和空氣孔內(nèi)物質(zhì)直接接觸，具有較強(qiáng)的倏逝場，有利于改善光纖傳感器的靈敏度。另外，非中心對稱結(jié)構(gòu)也利于辨別被測參量的方向。

所制備的EHADCF 樣品如圖1(b) 所示，中心纖芯、懸掛纖芯、空氣孔和包層直徑分別為8.5 μm、12.4 μm、46.8 μm 和129.0 μm，中心纖芯和懸掛纖芯邊緣間距為7.5 μm。光纖橫截面折射率分布如圖1(c) 所示。在632.8 nm 波長下，中心纖芯和懸掛纖芯具有相同的折射率，為1.457 02，纖芯包層折射率差為0.004 25。

2 基于偏心孔輔助的雙芯光纖定向耦合器的彎曲傳感器

光纖定向耦合器作為一種成熟的光纖器件廣泛應(yīng)用于通信、傳感、激光等領(lǐng)域。在傳感領(lǐng)域中，通過外部環(huán)境（溫度、折射率等）的改變影響光纖定向耦合器的共振波長或輸出端口之間的分光比從而實現(xiàn)對外部參量的測量[9,33]。常見的光纖定向耦合器主要為拼接型[34]和熔融拉錐型[35]兩種。拼接型定向耦合器由于拼接面的粘接及弧形槽的限位使其不適用于形變測量。同時，除拼接面外，包層保持完整限制了導(dǎo)模倏逝場的延伸，該類耦合器也不適用于外界折射率的傳感。對于熔融拉錐型光纖定向耦合器，由于錐區(qū)（耦合區(qū)）直徑非常小，機(jī)械強(qiáng)度大幅下降，使其也不適于形變傳感且使用過程中易受損壞。文獻(xiàn)[36] 提出的基于EHADCF的定向耦合器可以較好地解決上述問題。

2.1 傳感器工作原理分析

基于EHADCF 的定向耦合器[36]結(jié)構(gòu)如圖3 所示，一段EHADCF 被焊接到兩段SMF之間，EHADCF 的中心纖芯兩端與SMF 纖芯直接對準(zhǔn)焊接。由于兩纖芯間距很小，在相位匹配波長附近兩纖芯間能量會發(fā)生交換，單根光纖自身即可構(gòu)成光纖定向耦合器。寬譜光經(jīng)SMF 光纖入射EHADCF 中心纖芯后，在經(jīng)過耦合長度奇數(shù)倍傳輸后，滿足相位匹配波長的光全部被耦合到懸掛纖芯中，懸掛纖芯中的光進(jìn)入SMF 包層中很快被損耗掉，出射端SMF透射譜中會出現(xiàn)中心波長為相位匹配波長的共振峰。

圖3 EHADCF 定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of optical fiber directional coupler based on EHADCF

在x和y偏振態(tài)下，兩纖芯基模的色散曲線如圖4(a) 和4(b) 所示，兩纖芯基模相位匹配波長分別為1.790 μm 和1.827 μm，插圖為兩種偏振態(tài)下兩纖芯中基模模場分布。光由中心纖芯入射的情況下，兩纖芯中光的傳輸方程和邊界條件可表示為

式中：c 表示中心纖芯；s 表示懸掛纖芯；βc和βs分別為有效傳播常數(shù)；耦合系數(shù)Ksc和Kcs可表示為

式中：ω為角頻率；ε0為真空中的介電常數(shù)；Ec和Es分別為中心纖芯和懸掛纖芯中的模式電場；Sc和Ss分別為中心纖芯和懸掛纖芯的橫截面；nc、ns和ncl分別為中心纖芯、懸掛纖芯和包層的折射率。在x和y偏振態(tài)時的相位匹配波長分別為1.790 μm 和1.827 μm，相應(yīng)的耦合長度分別為4.81 mm 和4.41 mm。EHADCF 的長度為1 倍耦合長度時，兩個偏振態(tài)下定向耦合器的透射光譜如圖4(c) 所示。EHADCF 彎曲時引入的應(yīng)力會對光纖折射率進(jìn)行調(diào)制，引起兩纖芯間相位匹配波長和耦合系數(shù)改變，從而導(dǎo)致共振峰漂移，通過檢測共振峰漂移量可以實現(xiàn)彎曲傳感。

圖4 EHADCF 定向耦合器理論分析。(a) x 和(b) y 偏振態(tài)下兩纖芯基模色散曲線；(c) EHADCF 定向耦合器透射光譜Figure 4 Theoretical analysis of EHADCF directional coupler.(a) and (b) are dispersion curves of the fundamental modes in center and suspended cores for x- and y-polarizations; (c)transmission spectra of EHADCF directional coupler

2.2 傳感器制備與測試

將EHADCF 一端與SMF 對準(zhǔn)熔接在一起，為了確保熔接過程中EHADCF 空氣孔不發(fā)生明顯形變，需要適當(dāng)減小放電時間和熔接電流強(qiáng)度。EHADCF 與SMF 焊點照片如圖5 的插圖所示，這里空氣孔幾乎沒有形變和坍塌。利用光纖精確切割系統(tǒng)來控制EHADCF 的長度，最終確定雙芯光纖長度為4.45 mm 時，中心纖芯透射譜共振峰振幅可達(dá)最大，透射光譜如圖5 所示。在兩個偏振態(tài)下，器件插入損耗均為2.3 dB。對于x偏振態(tài)，EHADCF 的長度恰好為其耦合長度，共振峰中心波長為1 826.6 nm，非常接近理論計算得到的相位匹配波長，共振峰振幅為21.91 dB。對于y偏振態(tài)，由于EHADCF 長度大于其耦合長度（4.41 mm），共振峰中心波長為1 847.1 nm，與理論計算的相位匹配波長略有偏差，其共振峰振幅為16.1 dB。

圖5 計算和測試的不同偏振態(tài)下長度為4.45 mm 的EHADCF 定向耦合器透射光譜Figure 5 Measured and calculated transmission spectra of the sensor with 4.45 mm long EHACDF for different polarizations

EHACDF 的結(jié)構(gòu)非對稱，因此EHACDF 定向耦合器可實現(xiàn)具有方向辨別能力的彎曲傳感器。圖6 定義了EHACDF 的彎曲方向，在0?、90?、180?方向下定向耦合器彎曲響應(yīng)如圖7(a)～(c) 所示，共振峰中心波長與彎曲曲率的關(guān)系如圖7(d) 所示，在測試范圍內(nèi)不同彎曲方向下共振峰中心波長都隨彎曲曲率增大呈線性變化。在0?的彎曲方向下，共振峰中心波長隨彎曲曲率增大發(fā)生藍(lán)移，彎曲靈敏度為?15.95 nm/m?1。在90?和180?的彎曲方向下，共振峰中心波長隨彎曲曲率增大發(fā)生紅移，彎曲靈敏度依次為2.688 nm/m?1和14.870 nm/m?1。由于該彎曲傳感器在0?和180?兩個方向發(fā)生彎曲時，共振峰具有相反的漂移方向，因而具有彎曲方向識別能力。

圖6 EHADCF 彎曲方向示意圖Figure 6 Diagram of EHADCF bending direction

圖7 EHADCF 定向耦合器彎曲響應(yīng)測試結(jié)果。(a)～(c) 依次為彎曲方向0?、90?、180?情況下不同彎曲曲率下的透射譜；(d) 不同彎曲方向下共振峰中心波長與彎曲曲率的關(guān)系Figure 7 Experimental results on bending response of the EHADCF directional coupler.(a)～(c)Transmission spectrum variation against the curvature at 0?, 90?and 180?, respectively;(d) relationship between the resonance dip wavelength and the curvature at different bending direction

3 基于偏心孔輔助的雙芯光纖定向耦合器的微流折射率傳感器

近年來，生命科學(xué)與生化技術(shù)已成為研究熱點，光纖傳感器因具有測量精度高、檢測速度快等優(yōu)勢，在生化分析領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如：對折射率[37]、PH 值[38]、生化物質(zhì)成分及濃度[39-40]等參量的測量。光微流技術(shù)是生化分析領(lǐng)域中的重要技術(shù)，通過將光學(xué)傳感器和微流通道進(jìn)行集成，促使物質(zhì)與光信號發(fā)生相互作用，進(jìn)而實現(xiàn)對微流通道中物質(zhì)成分及濃度的檢測[41-42]。微結(jié)構(gòu)光纖因具有空氣孔作為天然的微流通道而被視為光微流傳感器的理想平臺?；贓HADCF 定向耦合器也可以實現(xiàn)微流折射率傳感器[43]，光纖內(nèi)空氣孔作為微流通道，懸掛纖芯與空氣孔中液體直接相互作用，可測量液體的折射率。

3.1 傳感器工作原理分析

基于EHADCF 定向耦合器的微流折射率傳感器結(jié)構(gòu)如圖8 所示[43]，EHADCF 的兩端正對熔接SMF。兩個液體注入/流出微孔位于焊點附近，與空氣孔一起形成微流通道。寬譜光從入射端SMF 進(jìn)入EHADCF 中心纖芯，如果EHADCF 的長度恰好是相位匹配波長下耦合長度的奇數(shù)倍，則在出射端的焊點處，相位匹配波長的光將全部耦合到懸掛纖芯中。因此，透射光譜中會出現(xiàn)明顯的共振峰。當(dāng)液體進(jìn)入微流通道后，懸掛纖芯的環(huán)境改變，導(dǎo)致其模式有效折射率改變，進(jìn)而引起耦合系數(shù)和相位匹配波長變化，使得共振峰發(fā)生漂移。通過檢測共振峰偏移量可實現(xiàn)折射率測量。

圖8 光纖微流折射率傳感器示意圖Figure 8 Schematic diagram of the fiber optofluidics sensor

實驗所用的EHADCF 參數(shù)如下：中心芯、懸掛芯、空氣孔和包層的直徑依次為9.1 μm、12.5 μm、44.3 μm 和125.0 μm，兩纖芯邊緣間距為7.3 μm。利用有限差分光束傳播法（finite difference beam propagation method, FD-BPM）計算的兩纖芯基模色散曲線如圖9(a) 所示。空氣孔未填充液體狀態(tài)時，懸掛纖芯中基模有效折射率neff,sc與中心纖芯中基模有效折射率neff,cc在1 603 nm 處相等，兩纖芯發(fā)生共振耦合，其奇偶模的場分布如圖9(b) 所示。圖9(c) 是波長為1 603 nm 的光在EHADCF 中的傳輸情況，此時耦合長度約為6.17 mm。填充折射率為1.335 的液體后，相位匹配波長紅移到1 793.3 nm。

圖9 光在EHADCF 中傳輸?shù)姆抡嬗嬎憬Y(jié)果。(a) 色散曲線；(b) EHADCF中奇偶模的三維模場分布；(c) 1 603 nm 的光在未填充的EHADCF中的傳輸情況Figure 9 Simulative beam propagation in the EHADCF.(a) Dispersion curves; (b) 3D field distributions of odd and even modes at 1 603 nm; (c) beam propagation in the EHADCF without filling at 1 603 nm

3.2 傳感器制備與測試

基于EHADCF 的光纖微流折射率傳感器的制備過程與前述基于定向耦合器的彎曲傳感器類似。通過反復(fù)測試，使共振峰振幅達(dá)最大值的EHADCF 的最短長度為6.2 mm，此時透射光譜如圖10 所示。這里也給出了EHADCF 長度約為3 倍和5 倍耦合長度的定向耦合器的透射光譜?？梢钥闯鲭p芯光纖長度為耦合長度奇數(shù)倍時，透射譜中僅在相位匹配波長處出現(xiàn)諧振峰，諧振峰的深度幾乎一致。用高頻CO2激光器制備注入/流出微孔，在EHADCF 側(cè)壁上靠近兩端焊點處制備兩個微孔將空氣孔與外界聯(lián)通，如圖11(a) 所示。調(diào)整EHADCF 空氣孔朝向激光出射方向，并使EHADCF 處于CO2激光器焦平面上，制備的微孔如圖11(b) 所示，激光剛好刻蝕穿透空氣孔側(cè)壁而未損傷懸掛纖芯。最后用環(huán)氧樹脂膠封裝微孔，制得的光纖微流折射率傳感器樣品，如圖11(c) 所示。

圖10 奇數(shù)倍耦合長度EHADCF 纖內(nèi)定向耦合器的透射光譜Figure 10 Transmission spectra of the EHADCF-based directional coupler when the EHADCF length is the odd times coupling length

圖11 傳感器制備Figure 11 Fabrication of sensor

基于EHADCF 定向耦合器的微流折射率傳感器特性實驗測試結(jié)果如圖12 所示。EHADCF 長度為29 mm，兩微孔間距為26.9 mm 時的透射光譜如圖12(a) 所示，理論計算和測試光譜吻合較好。微流通道折射率變化時光譜演變和諧振峰漂移測試結(jié)果如圖12(b) 和12(c) 所示。折射率在1.335～1.385 范圍內(nèi)，共振峰中心波長隨折射率增加線性紅移，波長靈敏度為627.5 nm/RIU。共振峰振幅隨折射率增加而增大，并在折射率為1.395 時達(dá)到最大，約為21.5 dB。折射率在1.335～1.370 范圍內(nèi)，振幅隨折射率增加有較好的線性度，振幅靈敏度約為102.2 dB/RIU。該光纖微流折射率傳感器的溫度特性如圖12(d) 所示，在未注入溶液時，溫度從30?C 上升到90?C 的過程中，共振峰中心波長最大漂移量僅0.4 nm。因此，該傳感器對溫度變化不敏感。

圖12 基于EHADCF 定向耦合器的微流折射率傳感器的傳感特性測試。(a) 傳感器透射光譜；(b) 透射譜隨折射率增加的變化情況；(c) 共振峰振幅和中心波長與折射率的關(guān)系；(d) 共振峰波長對溫度變化不敏感Figure 12 Sensing characteristics measurement of the refractive index sensor based on the EHADCF directional coupler.(a) Transmission spectrum of the sensor; (b) transmission spectrum evolves with the increasing refractive index; (c)relationship between resonance dip wavelength and amplitude and refractive index; (d) resonance dip wavelength is insensitive to temperature

4 基于偏心孔輔助的雙芯光纖定向耦合器的溫度傳感器

光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)檢測、航天航空、石油勘探、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。受限于石英本身極低的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，通常石英光纖溫度傳感器靈敏度較低。在光纖上復(fù)合熱敏材料提高光纖的溫度敏感性是研制高靈敏度光纖溫度傳感器的重要方法。PCF 具有天然微流通道，因便于進(jìn)行材料填充而受到重點關(guān)注?；跓崦舨牧咸畛涞腜CF 可構(gòu)成干涉儀或定向耦合器用于實現(xiàn)溫度傳感[44-46]。在PCF 中選擇性地填充熱敏材料的共振耦合型光纖溫度傳感器表現(xiàn)出極高的溫度靈敏度，但溫度測量范圍較小使其實際應(yīng)用受到限制[29,47-50]。文獻(xiàn)[51] 提出了一種基于液體填充的EHADCF 共振耦合型光纖溫度傳感器，在提高溫度靈敏度的同時具有較大的溫度測量范圍。

4.1 傳感器工作原理分析

基于液體填充的EHADCF 共振耦合型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖13 所示[51]。EHADCF定向耦合器的空氣孔中填充具有熱光系數(shù)較大的液體，用于增強(qiáng)光纖的熱敏感性。實驗中EHADCF 的參數(shù)如下：中心纖芯、懸掛纖芯、空氣孔及包層的直徑依次為8.5 μm、12.4 μm、45.4 μm 和12.8 μm，兩纖芯邊緣間距為6.7 μm。填充液體前后EHADCF 光纖的色散曲線如圖14(a) 所示，相位匹配波長分別為1 810 nm 和1 980 nm。懸掛芯直徑和兩芯邊緣間距對相位匹配波長和耦合距離的影響如圖14(b)～(d) 所示。相位匹配波長隨懸掛芯直徑增大而紅移，隨芯間距增大而藍(lán)移；芯間距增大還將導(dǎo)致耦合長度變大。環(huán)境溫度發(fā)生變化會導(dǎo)致空氣孔中熱敏材料的折射率發(fā)生改變，從而引起兩纖芯間的相位匹配波長和耦合系數(shù)改變，促使共振峰漂移。通過檢測共振峰偏移量可以實現(xiàn)溫度測量。

圖13 基于液體填充的EHADCF 溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 13 Schematic diagram of the liquid-filled EHADCF based temperature sensor

圖14 EHADCF 定向耦合器特性分析。(a) 色散曲線；(b) 懸掛芯直徑對相位匹配波長的影響（兩纖芯邊緣間距為3.15 μm）；(c) 芯間距對相位匹配波長的影響（懸掛芯直徑為13.1 μm）；(d) 芯間距對耦合長度的影響（懸掛芯直徑為13.1 μm）Figure 14 Characteristic analysis of EHADCF directional coupler.(a) Dispersion curves; (b) influence of suspended core diameter on phase matching wavelength (edge separation of the two cores is 3.15μm);(c)influence of separation on phase matching wavelength(diameter of suspended core is 13.1 μm); (d) influence of separation on coupling length (diameter of suspended core is 13.1 μm)

4.2 傳感器制備與測試

圖15(a) 中藍(lán)色線是長度為10.5 mm 的EHADCF 定向耦合器在填充折射率為1.33 的液體前后的透射光譜。未填充液體時插入損耗約為0.05 dB，主共振峰中心波長約為1 813.5 nm，振幅約為18.2 dB。為了將熱敏液體集成到空氣孔中，仍利用高頻CO2激光器在雙芯光纖空氣孔側(cè)壁靠近焊點的地方制備微孔，如圖15(b) 所示。將折射率匹配液（在589.3 nm 下，折射率匹配液的折射率為1.33，Cargille Laboratories）填充到空氣孔中。該折射率匹配液熱光系數(shù)為?3.37×10?4/?C，比石英熱光系數(shù)（8.6×10?6/?C）高2 個數(shù)量級[45]。折射率匹配液可填滿兩個微孔之間的空氣孔，在顯微鏡下觀察到的填充折射率匹配液的雙芯光纖如圖15(c)所示。最后用紫外膠密封兩個微孔。制備的液體填充的EHADCF 共振耦合型光纖溫度傳感器樣品透射譜如圖15(a) 中紅色曲線所示。填充折射率匹配液后，傳感器插入損耗約為0.43 dB。透射譜中存在兩個明顯共振峰，中心波長分別為1 795 nm 和2 126 nm。

圖15 傳感器制備。(a) 長度為10.5 mm的EHADCF在填充折射率匹配液前后的透射譜；(b) 未填充折射率匹配液的微孔顯微照片；(c) 填充折射率匹配液后的微孔顯微照片F(xiàn)igure 15 Sensor fabrication.(a) Measured transmission spectra of the 10.5 mm long EHADCF before and after filling refractive index matching fluid; (b) micrographs of a microhole fabricated by CO2 laser;(c)micrographs of the microholes after refractive index matching liquid filling

液體填充的EHADCF 共振耦合型溫度傳感器的傳感特性如圖16 所示。共振峰隨溫度升高而發(fā)生藍(lán)移，中心波長隨溫度升高線性減小，溫度靈敏度為?556.5 pm/?C，且具有良好的重復(fù)性。該液體填充的EHADCF 共振耦合型光纖溫度傳感器溫度靈敏度較高，溫度測量范圍更大，彌補(bǔ)了液體填充的共振耦合型光纖溫度傳感器溫度測量范圍小，實用性不強(qiáng)的缺點。

圖16 溫度傳感特性測試結(jié)果Figure 16 Experimental results of temperature sensing characteristics measuring

5 基于偏心孔輔助的雙芯光纖定向耦合器的濕度傳感器

由于石英對濕度不敏感，光纖濕度傳感器通常以石英光纖結(jié)合濕敏材料的形式，將對濕度的直接測量轉(zhuǎn)變?yōu)閷衩舨牧险凵渎首兓臏y量。利用側(cè)拋技術(shù)將EHADCF 的空氣孔打破，可以將濕敏材料集成到懸掛纖芯表面，從而利用偏心孔輔助的雙芯光纖定向耦合器實現(xiàn)高靈敏濕度傳感器[52]。

5.1 傳感器工作原理分析

基于偏心孔輔助的雙芯光纖定向耦合器的濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖17 所示[52]。利用光纖側(cè)拋技術(shù)將空氣孔打破，使懸掛纖芯直接暴露于外界環(huán)境，將折射率為1.5 的明膠填充到開放的空氣孔中包裹住懸掛纖芯。明膠同時充當(dāng)濕敏材料和懸掛纖芯包層兩個角色。明膠吸收空氣中水分子后發(fā)生溶脹，導(dǎo)致其折射率降低。空氣孔中折射率變化對懸掛纖芯中模式有效折射率的影響遠(yuǎn)大于對中心纖芯中模式有效折射率的影響。因此，兩個纖芯間的耦合系數(shù)、相位匹配波長均會受環(huán)境濕度變化影響，導(dǎo)致透射譜中共振峰發(fā)生漂移。通過檢測共振峰漂移量，可以測量相對濕度（relative humidity, RH）。

圖17 明膠覆蓋的EHADCF 定向耦合器型濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 17 Schematic diagram of gelatin coated humidity sensor based on EHADCF directional coupler

EHADCF 參數(shù)如下：中心纖芯、懸掛纖芯、空氣孔、包層直徑分別為8.5 μm、13.1 μm、45.8 μm 和129.0 μm，兩纖芯邊緣間距為7.9 μm。懸掛纖芯上覆蓋明膠層厚度對EHADCF模式的影響如圖18 所示。計算中拋磨平面距光纖中心30 μm。明膠填滿開放空氣孔，即明膠上表面與空氣孔的拋磨面齊平。在1 680 nm 波長附近，中心纖芯和懸掛纖芯中的基模會發(fā)生較強(qiáng)的共振耦合。明膠將懸掛纖芯包裹相當(dāng)于懸掛纖芯的包層。高折射率的明膠導(dǎo)致懸掛纖芯中一部分能量泄漏到明膠中，從而使懸掛纖芯中模式對明膠折射率變化極其敏感?？諝饪滋畛涿髂z后，共振耦合波長處懸掛纖芯基模泄漏到明膠中的能量占總能量的26.02%。明顯高于沒有明膠填充時的0.019%。濕度升高導(dǎo)致明膠折射率降低，從而導(dǎo)致懸掛纖芯中基模有效折射率發(fā)生改變，進(jìn)而引起兩纖芯之間的相位匹配波長和耦合系數(shù)發(fā)生改變。通過明膠的輔助，共振峰對環(huán)境濕度變得敏感。在明膠層厚度為0.5～2.5 μm 之間時，中心纖芯與懸掛纖芯中基模間在1 680 nm 波長下不滿足相位匹配，始終不發(fā)生明顯耦合。

圖18 覆蓋不同厚度明膠層的側(cè)拋的EHADCF 的模場分布仿真計算結(jié)果Figure 18 Simulated field distributions of the side-polished EHADCF for different thicknesses of gelatin layers

5.2 傳感器制備與測試

利用光纖側(cè)拋系統(tǒng)對EHADCF 定向耦合器進(jìn)行側(cè)拋，拋磨深度約為34 μm。將明膠（G108395，Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.）在65?C 溫度下配制成質(zhì)量濃度為5%的溶液，并利用微流注射泵將明膠溶液填充到開放空氣孔中。溫度變化會影響明膠溶液的流動性，溫度越低流動性越差，一次填充形成的明膠膜越厚。在溫度為20?C 的干燥空氣中靜置3 h 后再次進(jìn)行填充。填充15 次后明膠可填充滿開放的空氣孔，如圖19 所示。

圖19 15 次明膠涂覆的EHADCF 定向耦合器的SEM 測試結(jié)果Figure 19 Gelatin coated side polished EHADCF directional coupler after 15 fabrication processes

所制備的基于EHADCF 定向耦合器的濕度傳感器透射光譜如圖20 中RH 為30% 的曲線所示，插入損耗約為1.2 dB。透射光譜在1 688 nm 處有一個明顯的共振峰，消光比約為6.5 dB。由于明膠層折射率較大導(dǎo)致部分光泄漏到明膠層中，因此波長在1 770 nm 之后損耗明顯增大。

濕度傳感器的測試結(jié)果如圖20 所示。相對濕度從30% 上升到60% 的過程中，共振峰從1 676 nm 紅移到1 690 nm，并且在此過程中共振峰振幅逐漸增大。而濕度從60% 繼續(xù)上升到90% 的過程中，共振峰表現(xiàn)出顯著的藍(lán)移，并且振幅明顯減小。在相對濕度為70%～90% 范圍內(nèi)共振峰波長漂移量約140.1 nm，平均濕度靈敏度為?7.005 nm/%RH；最大靈敏度出現(xiàn)在相對濕度為90% 時，達(dá)?18.94 nm/%RH。在該相對濕度范圍內(nèi)，傳感器的最大遲滯波長誤差為6.25 nm，出現(xiàn)在相對濕度為70% 處，最大遲滯誤差為1%RH。同時，該濕度傳感器溫度串?dāng)_較低，溫度靈敏度為?346.7 pm/?C。相對濕度在70%～90% 范圍內(nèi)最小溫度串?dāng)_和平均溫度串?dāng)_分別為0.018%RH/?C 和0.050%RH/?C。該濕度傳感器在1 h 內(nèi)共振峰波長波動僅為±0.04 nm，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為2.97 s 和1.28 s，具有良好的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

圖20 傳感器性能測試。(a) 和(b) 相對濕度增加過程中光譜演變；(c) 和(d) 共振峰波長與相對濕度和溫度的關(guān)系；(e) 波長穩(wěn)定性；(f) 對呼吸的響應(yīng)Figure 20 Sensor performance testing.(a) and (b) are the shifts of the transmission spectra for different RH in the RH increasing process; (c) and (d) are the wavelength dependences of the resonance dip on the RH and temperature, respectively; (e) fluctuation of the center wavelength of the resonance dip; (f) response time of the IFDC-based RH sensor to human breathing

6 基于偏心孔輔助的雙芯光纖的干涉型微流折射率傳感器

干涉型光纖傳感器因具有高靈敏度、高分辨率及制備過程簡單而受到傳感領(lǐng)域的重視。然而干涉型傳感器透射光譜通常具有一系列連續(xù)且均勻的干涉峰，在應(yīng)用過程中很難區(qū)別每個干涉峰。本節(jié)提出一種基于EHADCF 的馬赫- 曾德爾干涉儀（Mach-Zenhder interferometer,MZI）傳感器。由于EHADCF 的多模特性，可以在不同波長區(qū)間由不同模式形成干涉。相鄰兩干涉區(qū)之間存在干涉間斷區(qū)，可用作光譜參照標(biāo)志識別對干涉峰的次序。文獻(xiàn)[53] 提出了一種可辨別干涉峰次序的MZI，并將其用于折射率傳感。

6.1 傳感器工作原理分析

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖21 所示，一段EHADCF 被錯位熔接到兩段SMF 之間形成SMFEHADCF-SMF，由于EHADCF 兩個纖芯間距較小，SMF 纖芯可以同時覆蓋中心纖芯與懸掛纖芯的一部分。光從SMF 傳輸?shù)降? 個焊點處后分束，分別進(jìn)入中心纖芯和懸掛纖芯，在第2 個焊點處合束發(fā)生干涉，構(gòu)成MZI?？諝饪鬃鳛槲⒘魍ǖ烙糜谔畛浯郎y液體。液體折射率的改變會導(dǎo)致懸掛纖芯中模式有效折射率發(fā)生變化，進(jìn)而引起兩纖芯中光相位差的改變，造成透射譜干涉峰漂移。通過檢測干涉峰漂移量即可實現(xiàn)對液體折射率的測量。為了識別干涉峰次序，需要在光譜中引入?yún)⒖紭?biāo)志。利用懸掛纖芯的少模特點，使該MZI 在不同波段由不同模式發(fā)生干涉，可在光譜中產(chǎn)生多段分離的干涉譜。兩段干涉譜之間由干涉模式跳變引起的干涉間斷區(qū)可作為識別干涉峰次序的標(biāo)志。

圖21 EHADCF-MZI 結(jié)構(gòu)示意圖Figure 21 Schematic diagram of the EHADCF-MZI

本實驗中使用的EHADCF 詳細(xì)參數(shù)如下：中心纖芯、懸掛纖芯、空氣孔和包層直徑依次為8.5 μm、12.1 μm、44.8 μm 和125.0 μm，兩纖芯邊緣間距為7 μm。由于懸掛纖芯直徑較大且與空氣孔折射率差較大，所以懸掛纖芯中可以支持多個導(dǎo)模。EHADCF 的模式特性如圖22 所示，中心纖芯中LP01模和懸掛纖芯中LP01模有效折射率在波長1 700 nm 處相等。由于兩纖芯間距很近，兩纖芯中基模在該波長下滿足相位匹配會發(fā)生共振耦合。因此所提出的EHADCF-MZI 的工作波長必須遠(yuǎn)離共振波長。中心纖芯LP11模在波長約為1 160 nm 處截止，大于該波長中心纖芯只支持基模傳輸。懸掛纖芯支持的模式比中心纖芯多，它的LP11模在波長約為1 420 nm 處截止，LP21模在波長約為960 nm 處截止。

圖22 EHADCF 中各模式的色散曲線和模場分布。(a) 色散曲線；(b) 和(c) 為980 nm 波長下中心纖芯LP01 模和LP11 模；(d) 和(e) 為980 nm 波長下懸掛纖芯LP01 模和LP11 模；(f) 為940 nm波長下懸掛纖芯LP21 模；(g) 和(h) 為1 310 nm 波長下中心纖芯與懸掛纖芯中LP01 模；(i) 為1 310 nm 波長下懸掛纖芯中LP11 模Figure 22 Dispersion curves for different modes and typical field distributions in the SEHADCF.(a) Dispersion curves; (b) and (c) LP01 and LP11 modes in center core at 980 nm; (d)and (e) LP01 and LP11 modes in the suspended core at 980 nm; (f) LP21 mode in the suspended core at 940 nm; (g) and (h) LP01 mode in the center and suspended cores at 1 310 nm; (i) LP11 mode in the suspended core at 1 310 nm

為了在不同波段包含不同模式干涉，SMF 與EHADCF 焊接錯位量對模式激發(fā)效率的影響如圖23 所示。在980 nm 波長下、橫向錯位量約為8 μm 時，中心纖芯與懸掛纖芯中的LP11模式被等量激發(fā)。在1 310 nm 波長下、錯位量約為6 μm 時，中心纖芯的LP01模和懸掛纖芯的LP11模被等強(qiáng)度激發(fā)。為了使MZI 在不同波段形成以不同模式為主導(dǎo)的干涉，第1 個焊點橫向錯位量確定為6～8 μm，以便能較均衡地激發(fā)各個模式。通過第2 個焊點的橫向錯位量來調(diào)節(jié)出射端SMF 接收的各個模式的光強(qiáng)比例，進(jìn)而得到較高的消光比。在波長較短時，通過調(diào)節(jié)第2 個焊點的橫向錯位量可得到兩纖芯中LP11模占主導(dǎo)的干涉。隨著波長的增加，中心纖芯中LP11模會先于懸掛纖芯中LP11模截止，因此可以形成中心纖芯LP01模與懸掛纖芯LP11模為主導(dǎo)的干涉。若波長繼續(xù)增加，懸掛纖芯中LP11模截止，將形成中心纖芯LP01模與高階包層模之間的干涉。

圖23 不同波長下EHADCF 中各模式激發(fā)系數(shù)與焊點處橫向錯位量的關(guān)系。(a)980 nm；(b) 1 310 nmFigure 23 Relationship between excitation coefficients of modes of the SEHADCF and the lateraloffset of the spicing point for different wavelengths.(a) 980 nm; (b) 1 310 nm

6.2 傳感器制備與測試

利用手動熔接模式將SMF 沿EHADCF 兩纖芯方向錯位約7 μm 進(jìn)行熔接，然后將SMF與超連續(xù)譜光源連接，而EHADCF 與另一根SMF 對準(zhǔn)，監(jiān)測其透射光譜并調(diào)整錯位量，直到干涉峰消光比達(dá)到最大時進(jìn)行熔接。制備的EHADCF-MZI 透射光譜如圖24 所示，由于錯位熔接EHADCF-MZI 的插入損耗相對較大可達(dá)15 dB。這里EHADCF 長41 mm，在600～2 400 nm 波段內(nèi)具有3 個分離的干涉區(qū)，依次為第一干涉區(qū)（圖24(a)，920～1 140 nm）、第二干涉區(qū)（圖24(a)，1 280～1 420 nm）及第三干涉區(qū)（圖24(b)，1 810～2 325 nm）。在第一干涉區(qū)內(nèi)，干涉譜的FSR 為20.6 nm，是兩個纖芯中LP11模式干涉。在第二干涉區(qū)內(nèi)，干涉譜的FSR 為26.1 nm，因中心纖芯LP11模式截止，此干涉為中心纖芯LP01模和懸掛纖芯LP11模干涉引起的。在第三干涉區(qū)內(nèi)，干涉譜的FSR 為29.1 nm，是中心纖芯LP01模和高階包層模發(fā)生干涉的。兩個干涉區(qū)之間存在因干涉模式跳變產(chǎn)生的干涉間斷區(qū)，可作為參考標(biāo)志幫助識別干涉峰次序。

圖24 EHADCF-MZI 樣品透射譜Figure 24 Transmission spectra of EHADCF-MZI

類似前面的耦合器型傳感器，利用高頻CO2激光器在焊點處制備微孔，使空氣孔與外界聯(lián)通。EHADCF-MZI 固定在載玻片上，然后用注射器針頭和環(huán)氧膠將其中一個微孔密封用于液體注入，完成EHADCF-MZI 微流折射率傳感器的制備。雙芯光纖長度為36.2 mm 的EHADCF-MZI 微流折射率傳感器其透射光譜如圖25(a) 所示。在920～1 140 nm和1 270～1 510 nm 兩個波段發(fā)生干涉。利用微流注射泵將不同折射率的甘油溶液注入傳感器，測試結(jié)果如圖25 所示。選擇第二干涉區(qū)內(nèi)的第5 和第13 個干涉峰作為測試對象。兩個干涉峰都隨折射率增加表現(xiàn)出線性紅移，其折射率靈敏度分別為294.5 nm/RIU 和353.9 nm/RIU。

圖25 傳感器的折射率響應(yīng)。(a) 傳感器透射光譜；(b) 傳感器注入不同折射率溶液后的傳輸譜；(c) 和(d) 透射譜1 415～1 455 nm 和1 495～1 530 nm 波段的局部放大；(e) 和(f) 第5 個和第13 個干涉峰波長與折射率的關(guān)系Figure 25 RI response of the sensor.(a) Transmission spectrum of the sensor; (b) transmission spectra of the sensor injected solutions with different RIs; (c) and (d) are partial zoomed views of the transmission spectra in the wavelength range from 1 415 to 1 455 nm and from 1 495 to 1 530 nm, respectively; (e) and (f) are the relationships between wavelengths of the 5th and the 13th interference valley and RI, respectively

7 基于偏心孔輔助的雙芯光纖的模式轉(zhuǎn)換器

隨著社會信息化的飛速發(fā)展，日益增長的信息量逐漸逼近現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸極限。以復(fù)雜模式作為獨(dú)立信號傳輸通道的模分復(fù)用技術(shù)已成為研究熱點。無論對通信領(lǐng)域利用高階模式進(jìn)行模分復(fù)用，還是研制高階模式輸出的光纖激光器而言，都面臨一個關(guān)鍵問題，即如何在光纖中有效產(chǎn)生高純度的高階模式。利用設(shè)計的EHADCF 可實現(xiàn)LP01和LP11模式間的高效轉(zhuǎn)換[54]。

7.1 模式轉(zhuǎn)換器工作原理分析

基于EHADCF 的模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖26(c) 所示，一段SMF 與拉錐的EHADCF 正對熔接，光從SMF 入射進(jìn)入EHADCF 中心纖芯傳輸至錐區(qū)時，由于中心纖芯基模和懸掛纖芯LP11模相位匹配發(fā)生共振耦合，光從中心纖芯LP01模轉(zhuǎn)化為懸掛纖芯中LP11，實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。本實驗所用EHADCF 的參數(shù)如下：實驗測得此光纖包層、中間芯、懸掛芯和空氣孔的直徑分別為125.0 μm、8.1 μm、13.0 μm 和45.0 μm，少模懸掛芯和中間單模芯邊緣距離約為5.6 μm。未拉錐時，中心纖芯LP01模（cLP01）與懸掛纖芯LP11模（sLP11）在800～1 800 nm不滿足相位匹配，因而不發(fā)生共振耦合。EHADCF 拉錐至錐腰直徑為原直徑的0.77 倍時，中心纖芯LP01模與懸掛纖芯LP11模在波長1 310 nm 處滿足相位匹配，將發(fā)生共振耦合，進(jìn)而實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。

圖26 基于EHADCF 的模式轉(zhuǎn)換器原理。(a) EHADCF橫截面；(b) 未拉錐的偏心孔輔助的雙芯光纖的模式傳輸示意圖；(c) 拉錐后的偏心孔輔助的雙芯光纖的模式傳輸示意圖；(d) 拉錐前后EHADCF模式色散曲線Figure 26 Principle of mode converter based on EHADCF.(a) Cross-section of the EHADCF; (b)schematic diagram of the mode transmission of the untapered EHADCF; (c) schematic diagram of the mode transmission of the tapered EHADCF; (d) dispersion curves of untapered and tapered EHADCFs

模式轉(zhuǎn)換器的傳輸特性如圖27 所示，這里錐腰直徑為96.2 μm（拉錐率為0.77），整個錐區(qū)長為2.34 mm。在波長1 310 nm（B 點）處，單模中間芯中LP01模式的能量幾乎轉(zhuǎn)化為少模懸掛芯中的LP11模式，轉(zhuǎn)換效率達(dá)?30 dB（99.9%），這與色散曲線一致。而遠(yuǎn)離相位匹配波長時（A 點），所有的能量都在中心芯中。而在C 點兩個芯的模式發(fā)生耦合，但耦合效率較低導(dǎo)致中間芯和懸掛芯都有能量。

圖27 EHADCF 中間芯傳輸譜Figure 27 Transmission spectrum of center core of EHADCF

7.2 模式轉(zhuǎn)化器制備方法與性能測試

將兩端正對熔接SMF 的EHADCF 置于拉錐機(jī)上進(jìn)行熔融拉錐，利用超連續(xù)譜光源和光譜分析儀在拉錐過程中實時監(jiān)測EHADCF 的傳輸光譜。拉錐前后的透射光譜如圖28(a) 所示，拉錐前在1 130～1 430 nm 波段傳輸譜沒有共振峰。拉錐后錐區(qū)長度為6.9 mm，錐腰直徑為65 μm，其透射光譜共振峰中心波長約為1 310 nm，10 dB 帶寬約為75.2 nm，共振峰消光比達(dá)?23.5 dB，該模式轉(zhuǎn)化器的最大轉(zhuǎn)換效率大于99%。為了確定該共振峰是由中心纖芯LP01轉(zhuǎn)換為懸掛纖芯LP11引起的，用波長為1 310 nm 的單色激光器作為光源，用紅外相機(jī)拍攝EHADCF 的出射光場，光場如圖28(b) 所示?？梢郧宄赜^測到拉錐的EHADCF 出射光場為LP11模，通過控制入射光偏振態(tài)可以調(diào)控輸出LP11模的偏振態(tài)。該模式轉(zhuǎn)換器輸出LP11模的模式純度可達(dá)95.2%。同時，所提出的基于拉錐EHADCF 的模式轉(zhuǎn)化器具有良好的溫度和折射率穩(wěn)定性。在20～80?C 范圍內(nèi)，溫度引起的共振峰波長和振幅變化分別小于0.8 nm 和0.3 dB。外部折射率在1.335～1.405 的范圍內(nèi)，由折射率變化引起的共振峰波長漂移和振幅變化分別小于0.5 nm 和0.3 dB。

圖28 模式轉(zhuǎn)換器實驗結(jié)果。(a) 傳輸光譜，插圖為拉錐與未拉錐的EHADCF的顯微照片；(b) 不同偏振態(tài)下模式轉(zhuǎn)換器輸出的矢量模Figure 28 Experimental results of the mode converter.(a) Transmission spectra, the inset: the side microscope photograph of tapered and untapered EHADCF; (b) output intensity distributions of the modal field rotated with the PC and a vector mode

此外，若EHADCF 拉錐的錐腰直徑很小，中心纖芯中光會泄漏至包層，進(jìn)而形成芯模與包層模的干涉。干涉光譜和共振耦合形成的共振峰疊加將發(fā)生疊加。對干涉譜包絡(luò)進(jìn)行擬合可以得到共振峰的信息，通過同時檢測干涉光譜包絡(luò)和某一干涉峰的波長變化情況，利用靈敏度矩陣法可實現(xiàn)雙參量傳感。

8 結(jié) 語

在傳感應(yīng)用中，由于纖芯數(shù)量增加，雙芯光纖在兩個方面較單芯光纖更有優(yōu)勢：1）雙芯光纖具有更多的傳感通道；2）雙芯光纖可實現(xiàn)更復(fù)雜的傳感結(jié)構(gòu)。上述兩個優(yōu)勢使得雙芯光纖更易于研制多參量、高性能的光纖傳感器。但是，纖芯數(shù)量增加也使雙芯光纖傳感器面臨纖芯信號難以有效分離的問題。下一階段，利用雙芯光纖的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢研制多參量、高性能的光纖傳感器和實現(xiàn)雙芯光纖各纖芯與單模光纖的高效、低成本連接將是未來雙芯光纖傳感器研究的熱點。

本文簡要回顧了近幾年來基于偏芯孔輔助的雙芯光纖開展的傳感器研究工作，首先設(shè)計了一種全新的偏心孔輔助的雙芯光纖，詳細(xì)討論了其傳輸特性和模式特性，并在此基礎(chǔ)上開展了光纖傳感器研究。其次利用偏心孔輔助的雙芯光纖耦合特性和結(jié)構(gòu)特點研制了彎曲傳感器和微流折射率傳感器。再次結(jié)合功能材料研制了高靈敏度溫度和濕度傳感器。最后基于該光纖的模式特性和結(jié)構(gòu)特點研制了具有干涉峰次序辨別能力的干涉型微流折射率傳感器和模式轉(zhuǎn)換器。特種光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)、豐富的特性受到光纖傳感器研究人員的青睞，為研制適用于特定領(lǐng)域的高性能光纖傳感器提供了更廣闊的空間。