基于無芯-少模-無芯光纖結構的溫度傳感特性研究

張 靜，李永倩

（華北電力大學 電力物聯(lián)網(wǎng)技術河北重點實驗室，河北 保定 071003）

引言

光纖傳感器具有體積小、制作方便、實時性、耐腐蝕性、電磁抗擾性和長距離傳輸?shù)葍?yōu)點，廣泛應用于折射率、溫度、氣體濃度、應力、液位等環(huán)境參量的測量[1]。光纖模式干涉儀是一種具有優(yōu)良性能的全光纖干涉器件，廣泛應用于光纖傳感、光纖通信等領域。該類型干涉儀需要特殊結構實現(xiàn)模式的分束和合束，以實現(xiàn)纖芯模在纖芯中傳輸，包層模在包層傳輸。由于纖芯模和包層模的傳輸路徑不同，導致了纖芯模和包層模產(chǎn)生相位差，從而形成干涉條紋。外界環(huán)境變化對纖芯模和包層模的影響不同，從而使兩路光相位差發(fā)生改變，導致干涉條紋出現(xiàn)漂移。通過測量干涉條紋的漂移量，實現(xiàn)對外界環(huán)境參量變化的測量。研究人員提出了各種光纖干涉儀的多種結構，如基于錐形光纖的干涉儀[2-3]、花生形結構[4-5]、光纖纖芯直徑不匹配[6-7]和不對稱結構[8-11]的馬赫-曾德爾干涉儀（Mach Zehnder interfero- meter，MZI）。

少模光纖傳感器作為一種新型的光纖傳感器，具有結構簡單、模式個數(shù)有限、有效面積大、模式耦合可控等優(yōu)點，近年來得到了研究人員的廣泛關注。Wang 等人利用FMF 中LP01 模式和LP02 模式的干涉效應制作出MZI 干涉儀，實現(xiàn)應變和溫度的分別測量[12]。張柵等設計了一種溫度不敏感的應變傳感器[13]。Tong Z等人設計了FMF 和球型結構級聯(lián)的新式傳感器，用于溫度和折射率的同時測量[14]。

本文提出了一種結構簡單、易于制作的MZI，傳感器結構是在無涂敷的少模光纖兩端熔接2 段無芯光纖，由于采用的是雙模干涉，傳感器的輸出光譜比多模干涉光譜波形更簡單穩(wěn)定。選取MZI干涉譜中的2 個特征波谷作為特征波長，利用特征波長的漂移測量液體的溫度。

1 傳感器的制作及工作原理

本文設計的傳感器結構示意圖如圖1所示。2 根作為輸入輸出的SMF 與2 段長度相同的CLF分別進行同軸熔接，CLF 長度為3 mm，因光纖的模場分布不同，在SMF 與CLF 的熔接點1 和4 產(chǎn)生模式失配，起到激發(fā)和耦合高階模式的作用；在2 段CLF 中熔接一段去掉涂覆層的FMF，組成CLF-FMF-CLF 結構的MZI 型全光纖器件。由模式失配激發(fā)的LP01 與LP11 兩種模式在少模光纖的纖芯中傳輸，其他高階模在包層中傳輸。在第2 段無芯光纖的作用下LP01 與LP11 兩種模式重新耦合回單模光纖發(fā)生干涉，形成干涉光譜。當外界溫度變化時，兩種模式的光程差發(fā)生變化，干涉光譜的干涉波谷發(fā)生漂移，通過分析干涉光譜諧振波谷的位移，獲得外界環(huán)境溫度的變化。

圖1 傳感器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor structure

制作的傳感器所用的SMF 是康寧公司生產(chǎn)的SMF-28，纖芯與包層直徑分別為8.2 μm 和125 μm；所用FMF 為長飛公司生產(chǎn)的兩模光纖，纖芯與包層直徑分別為14 μm 和125 μm；CLF 為長飛公司生產(chǎn)，直徑為125 μm。實驗過程中，為防止光纖彎曲，抖動對傳感器溫度測量性能產(chǎn)生影響，對制作的傳感器進行了封裝，將制作的傳感器放置在開槽的石英管中，傳感器兩端采用UV 紫外膠固定，封裝的傳感器如圖2所示。

圖2 封裝傳感器Fig.2 Packaged sensor

根據(jù)相關文獻可知，MZI 干涉?zhèn)鞲衅鞯耐干鋸姸瓤梢员硎緸閇15]

式中：Icore和Ih分別為基模和高階模的強度；Δφ為基模與高階模的相位差，可以表示為

式中：λ0為中心波長；和分別為基模和高階模的有效折射率，為基模與高階模之間的有效折射率差；L是傳感單元的長度。當Δφ為(2m+1)π時出現(xiàn)干涉現(xiàn)象極小,第m階 峰值波長為

當外界溫度發(fā)生變化時，由（3）式對溫度求微分可知，溫度的靈敏度為

2 實驗結果及分析

實驗系統(tǒng)原理如圖3所示。所設計的傳感器兩端分別連接放大自發(fā)輻射光源(ASE)和光譜分析儀。傳感器放置在溫度可調(diào)的恒溫設備中，利用光譜儀對不同溫度時的光譜響應進行測量。ASE 光源波長范圍為1 510 nm ～1 590 nm，輸出最大功率為40 mW。光譜分析儀采用Finisar 公司的WaveAnalyzer 1500S，光譜分辨率高達1.25 pm。實物如圖4所示。

圖3 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of experimental system

圖4 實驗系統(tǒng)圖Fig.4 Experimental system diagram

根據(jù)文獻可知，所用光纖的熱光系數(shù)比熱膨脹系數(shù)大一個數(shù)量級，說明熱光效應起主要作用，溫度靈敏度可以簡化為。隨著溫度的升高，少模光纖中的LP01 模式和LP11 模式的有效折射率都會增加，但LP01 模式增加較大。折射率差值隨溫度增加變大，ε 隨溫度也增加變大，因此，傳感器的諧振波長隨溫度變化向長波方向移動。

實驗測量了傳感器在25 ℃～75 ℃溫度范圍內(nèi)傳感器的透射光譜，不同溫度時的測量結果如圖5所示。隨著溫度的升高，透射譜線的形狀基本保持不變，干涉模式?jīng)]有變化，整體向長波方向漂移，與理論分析結果一致。經(jīng)過計算，選取溫度靈敏度較大的干涉谷波長 1 550 nm 和1 534 nm 作為特征波長進行比較，作為傳感器使用時，只選擇其中靈敏度最高的波長值就可實現(xiàn)溫度測量。將2 個特征波長分別與溫度值進行線性擬合，擬合結果如圖6所示。由圖6 可知，特征波長與溫度呈現(xiàn)很好的線性關系，在溫度測量范圍內(nèi)，兩波谷的溫度測量靈敏度分別為68 pm/℃和44.5 pm/℃。靈敏度差別較大是由于不同波長處，不同模式的有效折射率差值不同。該傳感結構簡單、靈敏度高，有很好的應用前景。

圖5 不同溫度透射譜Fig.5 Transmission spectrum at different temperatures

圖6 特征波長擬合曲線Fig.6 Fitting curves of characteristic wavelength

傳感器結構和溫度靈敏度與所列參考文獻相比如表1所示。由表1 可知，本文設計的傳感器靈敏度高于文獻[5]、[7]、[8]中設計的傳感器，低于文獻[3]中傳感器的靈敏度，但本文設計的傳感器采用同軸熔接的方法，比參考文獻[3]中拉錐結構傳感器制作方法簡單，結構穩(wěn)健，可重復性好。

表1 不同結構靈敏度比較Table 1 Comparison of sensitivity with different structures

3 結論

本文提出并制作了一種基于無芯-少模-無芯結構的溫度傳感器，實現(xiàn)了溫度的高精度測量。利用少模光纖和無芯光纖的模式失配激發(fā)高階模，基模和高階模在少模光纖中受外界溫度調(diào)制，在輸出端產(chǎn)生干涉譜。通過實驗證明了此方法的可行性，實驗結果表明，傳感器的特征波長與溫度呈很好的線性關系，在測量溫度范圍內(nèi)，溫度測量靈敏度分別為68 pm/℃和44.5 pm/℃，因此，本文所設計的傳感器制作簡單，靈敏度較高。受恒溫實驗裝置所限，未進行較大溫度范圍的實驗測量，但傳感器仍有望應用于溫度更高的測量場景。