基于S錐結(jié)構(gòu)光纖傳感器的研究

楊帆　曹曄　李美琪　鞠慧

文章編號(hào)：10069798（2022）02000106;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.001

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)基于S錐結(jié)構(gòu)的光纖傳感器存在制作工藝復(fù)雜、靈敏度低和溫度交叉敏感等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種同時(shí)測(cè)量折射率（refractiveindex，RI）和溫度的新型光纖傳感器。傳感結(jié)構(gòu)由細(xì)芯光纖（thin-corefiber，TCF）上制作的S錐結(jié)構(gòu)和單模光纖（single-modefiber，SMF）上制作的球形結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)光譜特性進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.3384～1.3527的折射率范圍內(nèi)，折射率靈敏度最大可達(dá)到201.19074nm/RIU，折射率靈敏度是現(xiàn)有的基于單模S錐結(jié)構(gòu)光纖傳感器的4倍。在30℃～70℃變化范圍中，溫度靈敏度最大可達(dá)到0.0717nm/℃。通過(guò)將靈敏度系數(shù)代入靈敏度矩陣中，可實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的雙參量測(cè)量，溫度交叉敏感問(wèn)題得以解決，具有制作成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。該研究應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：S錐;細(xì)芯光纖;球形結(jié)構(gòu);折射率;溫度

中圖分類號(hào)：TN253;TP212.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

由于光纖傳感器具有低傳輸損耗、尺寸小、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物研究等領(lǐng)域[1]。目前，常見(jiàn)的干涉型光纖傳感器結(jié)構(gòu)有SMS結(jié)構(gòu)[2]、偏芯結(jié)構(gòu)[3]、錐形結(jié)構(gòu)[4]和光纖光柵[5]等，可通過(guò)使用這些結(jié)構(gòu)制成的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)溫度[67]、濕度[89]、應(yīng)變[1011]、磁場(chǎng)[1213]和折射率[1415]等參數(shù)。近年來(lái)，由于形狀近似英文字母S而命名的S錐結(jié)構(gòu)，因其成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、光纖穩(wěn)定性好而引起了廣泛研究。2015年，LIUHF等人[16]提出了一種光纖濕度傳感器，該傳感器基于涂有SiO2納米顆粒的S錐光纖結(jié)構(gòu)，分別根據(jù)波長(zhǎng)和強(qiáng)度求出濕度靈敏度，但是SiO2納米顆粒成本較高，且該傳感器制作過(guò)程較為復(fù)雜;2018年，ZHAOJF等人[17]提出了一種S錐級(jí)聯(lián)光纖布拉格光柵傳感器，得到了較高的射率靈敏度，但是該傳感器的溫度交叉敏感問(wèn)題沒(méi)有解決;2019年，ZHAOWM等人[18]提出了一種基于多梯度S錐的折射率傳感器，靈敏度為51.17nm/RIU，該傳感器求得的折射率靈敏度較低;2020年，LIMQ等人[19]制造一種基于嵌入長(zhǎng)周期光柵中S錐的光纖傳感器，用于測(cè)量應(yīng)變，該傳感器同樣存在制作過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。為簡(jiǎn)化制作步驟、提高靈敏度和解決溫度交叉敏感問(wèn)題，本文提出了一種同時(shí)測(cè)量溫度和折射率的光纖傳感器，傳感結(jié)構(gòu)包括細(xì)芯光纖上制作一個(gè)S錐和一個(gè)球形結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)單模光纖上制作的S錐結(jié)構(gòu)相比，該傳感器集合了細(xì)芯光纖對(duì)光的束縛能力弱、更易激發(fā)高階包層模以及S錐結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢(shì)，其中細(xì)芯S錐和球形結(jié)構(gòu)分別充當(dāng)激發(fā)器和耦合器的功能，模式干涉將出現(xiàn)在級(jí)聯(lián)光纖結(jié)構(gòu)的輸出端，輸出端的干涉光譜會(huì)隨著溫度和折射率的變化發(fā)生不同的偏移。基于光譜的偏移可分別求出折射率和溫度靈敏度，通過(guò)靈敏度矩陣可實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測(cè)量。該研究實(shí)現(xiàn)了雙參量同時(shí)測(cè)量，解決了溫度交叉敏感問(wèn)題，提高了靈敏度，具有一定的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

1光纖傳感器制作和實(shí)驗(yàn)原理

1.1傳感器結(jié)構(gòu)

光纖傳感器示意圖如圖1所示。光纖傳感器的結(jié)構(gòu)由細(xì)芯S錐和球形結(jié)構(gòu)組成。在這種結(jié)構(gòu)中，由于細(xì)芯光纖對(duì)光的束縛能力弱，位于細(xì)芯光纖的S錐結(jié)構(gòu)更容易激發(fā)包層模，單模光纖上的球型結(jié)構(gòu)將包層模部分耦合回纖芯模，模式干涉將出現(xiàn)在級(jí)聯(lián)光纖結(jié)構(gòu)的輸出端。

1.2制作方式

球形結(jié)構(gòu)的制造方法采用電弧放電，將一段單模光纖的末端去除涂覆層固定在熔接機(jī)中心放電部位，將放電強(qiáng)度設(shè)置為200，放電模式設(shè)置為“電弧”。放電1次即得到球形結(jié)構(gòu)。細(xì)芯S錐的制作過(guò)程與球形結(jié)構(gòu)相比較為復(fù)雜，首先開(kāi)啟熔接機(jī)的手動(dòng)模式，手動(dòng)調(diào)節(jié)熔接機(jī)中左右馬達(dá)之間的距離到最小。將一段直徑為5μm，包層直徑為125μm的細(xì)芯光纖去除涂覆層，用無(wú)水酒精擦拭干凈，放置在熔接機(jī)中，并通過(guò)手動(dòng)操作引入x方向的橫向偏移，以精確控制x方向上光纖的移動(dòng)，將放電模式設(shè)置為“清潔模式”，放電強(qiáng)度設(shè)置為85，對(duì)細(xì)芯光纖進(jìn)行放電操作。放電1次后，通過(guò)手動(dòng)控制熔接機(jī)的左右馬達(dá)，使細(xì)芯光纖再次處于伸直狀態(tài)。反復(fù)進(jìn)行上述操作，直至細(xì)芯S錐結(jié)構(gòu)可以獲得理想的幾何參數(shù)。最后用光纖切割刀將制作好的兩種結(jié)構(gòu)一端進(jìn)行切割，使切面干凈光滑，用熔接機(jī)將細(xì)芯S錐和球錐拼接在一起。實(shí)驗(yàn)中，W1是細(xì)芯S錐腰部直徑，W1=98.7μm;L1是錐區(qū)長(zhǎng)度，L1=441.3μm;Δd是錯(cuò)位量，Δd=27.9μm;W2是球形直徑，W2=149.7μm;L是級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的距離，L=1.5cm。顯微鏡圖片如圖2所示。

1.3傳感原理

傳感器的輸出光強(qiáng)為

其中，Icore和Iclab分別表示纖芯模式和包層模式的光強(qiáng);Δφ為纖芯模式和m階包層模式的相位差，即

其中，ncore和nclab分別表示纖芯模式的有效折射率和m階包層模式的有效折射率;Δneff表示纖芯模式和包層模式之間有效折射率的差;λ為波長(zhǎng);L是干涉臂的長(zhǎng)度。

當(dāng)透射波谷滿足Δφ=2k+1π方程時(shí)（其中k是隨機(jī)整數(shù)），透射波谷波長(zhǎng)λD可以表示為

當(dāng)傳感器周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，Δneff和L會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致包層模和纖芯導(dǎo)模之間的干涉發(fā)生變化。當(dāng)干涉儀周圍環(huán)境的折射率增加時(shí)，包層模式的有效折射率隨之變化，由于纖芯不與外界環(huán)境接觸，所以纖芯模式的有效折射率幾乎沒(méi)有變化。因此，Δneff發(fā)生變化，根據(jù)式（3），透射光譜的波谷波長(zhǎng)λD將會(huì)發(fā)生偏移。由于熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，透射光譜特性也可能對(duì)環(huán)境溫度的變化敏感。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于熱光效應(yīng)的影響，ncore和nclab都會(huì)增加。纖芯和包層的組成分別為摻鍺石英和熔融石英，摻鍺石英芯的熱光系數(shù)遠(yuǎn)高于熔融石英包層[20]，ncore則會(huì)變化得更大。此外，由于光纖的熱膨脹效應(yīng)，光纖長(zhǎng)度也會(huì)增加。因此L和Δneff都會(huì)增加，根據(jù)式（3），透射光譜的波谷波長(zhǎng)λD將會(huì)向長(zhǎng)波方向偏移，即紅移。因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉儀的波谷波長(zhǎng)偏移來(lái)測(cè)量溫度和折射率的變化值。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1折射率傳感實(shí)驗(yàn)

折射率傳感系統(tǒng)示意圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括型號(hào)為AQ6370的光譜儀（opticalspectralanalysis，OSA），寬帶光源（broadbandlightsource，BLS），其波長(zhǎng)范圍為1250～1640nm。

制備不同濃度的氯化鈉溶液，然后用折射率測(cè)量?jī)x測(cè)量每種濃度氯化鈉溶液的折射率，溶液的折射率在1.3384～1.3527之間變化。將傳感結(jié)構(gòu)置于所制備的氯化鈉溶液中，兩端與輸入光纖和輸出光纖連接，分別接入寬帶光源與光譜儀，將傳感器浸入不同濃度的氯化鈉溶液中，在室溫下研究傳感器對(duì)環(huán)境折射率的響應(yīng)。每次測(cè)量后，用干凈的紙巾將覆在傳感器上的氯化鈉溶液吸走，用濃度為99%的工業(yè)酒精清洗表面的氯化鈉結(jié)晶，干燥5min后再繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)折射率的測(cè)量。

在不同折射率條件下，傳感結(jié)構(gòu)的透射光譜如圖4所示。由圖4可以看出，隨著折射率的增加，透射譜中波谷1（Dip1）和波谷2（Dip2）的波長(zhǎng)向著短波長(zhǎng)的方向漂移。由于包層模式的有效折射率對(duì)外部環(huán)境折射率的變化非常敏感，包層折射率隨著外界環(huán)境折射率的增加而增加，造成有效折射率差減小，根據(jù)式（3），干涉光譜的波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向偏移，即藍(lán)移的現(xiàn)象。

Dip1和Dip2的RI靈敏度響應(yīng)曲線如圖5所示，圖5顯示了在折射率變化條件下，2個(gè)波谷波長(zhǎng)偏移的線性關(guān)系。由圖5a可以看出，在該折射率變化范圍內(nèi)，波長(zhǎng)從1588.13nm偏移到1585.65nm，變化了2.48nm，靈敏度為-171.58691nm/RIU，線性度為0.99112;由圖5b可以看出，在該折射率變化范圍內(nèi)，波長(zhǎng)從1603.11nm偏移到1600.16nm，偏移2.95nm，靈敏度為-201.19074nm/RIU，線性度為0.99271。

2.2溫度傳感實(shí)驗(yàn)

溫度傳感系統(tǒng)示意圖如圖6所示。與折射率傳感類似，將傳感結(jié)構(gòu)置于溫控箱中，將溫控箱的溫度從30℃增加到70℃，每5℃取樣1次。由于在溫度變化環(huán)境中，傳感器的性能也會(huì)受到波動(dòng)。因此，研究溫度對(duì)波長(zhǎng)偏移的影響很重要。

在不同溫度下，傳感結(jié)構(gòu)的透射光譜如圖7所示，由圖7可以看出，溫度在30～70℃范圍內(nèi)，透射光譜發(fā)生了變化，當(dāng)外界溫度增加時(shí)，透干涉光譜呈現(xiàn)出干涉波谷的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即紅移現(xiàn)象，與1.3節(jié)的分析一致。

波長(zhǎng)隨溫度變化曲線如圖8所示。由圖8a可以看出，波長(zhǎng)從1563.62nm增到1566.19nm，共增加2.57nm，其靈敏度和線性度分別為0.05072和0.9984nm/℃;由圖8b可以看出，波長(zhǎng)共增加2.79nm，其靈敏度和線性度分別為0.0717和0.9972nm/℃。

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由上述實(shí)驗(yàn)可知，在溫度和折射率上，Dip1和Dip2的靈敏度系數(shù)不同，在特定光強(qiáng)下，折射率與溫度引起的光纖傳感器的波長(zhǎng)漂移可表示為

其中，ΔλDip1和ΔλDip2分別是Dip1和Dip2的偏移;ΔT為溫度變化;ΔR為折射率變化;KT，Dip1和KR，Dip1是Dip1的溫度靈敏度和折射率靈敏度;KT，Dip2和KR，Dip2是Dip2的溫度靈敏度和折射率靈敏度。

所有的靈敏度系數(shù)都已在實(shí)驗(yàn)中得出，其中KT，Dip1為0.05072nm/℃，KT，Dip2為0.0717nm/℃，KR，Dip1為-171.58691nm/RIU，KR，Dip2為-201.19074nm/RIU，可以用一個(gè)靈敏度矩陣，得到外界溫度和折射率的變化規(guī)律為

代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用波長(zhǎng)的變化量，得到相應(yīng)的折射率與溫度的變化量為

通過(guò)細(xì)芯S錐級(jí)聯(lián)球形結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率與溫度的雙參數(shù)測(cè)量。

3結(jié)束語(yǔ)

本文基于細(xì)芯S錐和球形結(jié)構(gòu)制作了一種光纖傳感器，并對(duì)所提出傳感器的折射率和溫度特性理論進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)研究。折射率和溫度靈敏度最高分別可以達(dá)到-201.19074nm/RIU和0.0717nm/℃，線性度分別為0.99271和0.9972，該光纖傳感器的折射率靈敏度約為單模S錐結(jié)構(gòu)光纖傳感器的4倍。在30～70℃變化范圍中，溫度靈敏度最大可達(dá)到0.0717nm/℃。將折射率靈敏度和溫度靈敏度代入傳感矩陣，實(shí)現(xiàn)了雙參數(shù)測(cè)量，解決了溫度交叉敏感問(wèn)題。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)需復(fù)雜工藝、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，有望將在物理、化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉偉.基于細(xì)光纖In-LineMZI的設(shè)計(jì)與傳感特性研究[D].安徽：安徽大學(xué)，2020.

[2]QIANGW，SEMENOVAY，WANGPF，etal.HighsensitivitySMSfiberstructurebasedrefractometer-analysisandexperiment[J].OpticsExpress，2011，19（9）：79377944.

[3]CAOY，LIUHY，TONGZR，etal.SimultaneousmeasurementoftemperatureandrefractiveindexbasedonaMach-ZehnderinterferometercascadedwithafiberBragggrating[J].OptoelectronicsLetters，2015，342：180183.

[4]GAOSC，ZHANGWG，GENGPC，etal.Highlysensitivein-fiberrefractiveindexsensorbasedondown-bitaperseededup-bitaperpair[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2012，24（20）：18781881.

[5]MAGM，JIANGJ，MURD，etal.HighsensitiveFBGsensorforequivalentsaltdepositdensitymeasurement[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2014，27（2）：177180.

[6]LIUQ，WANGSW，F(xiàn)UXH，etal.Refractiveindexinsensitivetemperaturesensorbasedonwaist-enlargedfewmodefiberbitapers[J].OptoelectronicsLetters，2017，13（1）：2528.

[7]GONGZF，CHENK，ZHOUXL，etal.Temperature-compensatedrefractiveindexsensorbasedonbent-fiberinterference[J].OpticalFiberTechnology，2017，36：69.

[8]WANGYQ，SHENCY，LOUWM，etal.FiberopticrelativehumiditysensorbasedonthetiltedfiberBragggratingcoatedwithgrapheneoxide[J].AppliedPhysicsLetters，2016，109（3）：03110710311075.

[9]FUHW，JIANGYH，DINGJJ，etal.Lowtemperaturecross-sensitivityhumiditysensorbasedonaU-shapedmicrofiberinterferometer[J].IEEESensorsJournal，2016，17（3）：644649.

[10]TIANK，ZHANGM，F(xiàn)ARRELLG，etal.HighlysensitivestrainsensorbasedoncompositeinterferenceestablishedwithinS-taperedmultimodefiberstructure[J].OpticsExpress，2018，26（26）：3398233992.

[11]ZHAOXL，DONGML，ZHANGYM，etal.Simultaneousmeasurementofstrain，temperatureandrefractiveindexbasedonafiberbragggratingandanin-linemach-zehnderinterferometer[J].OpticsCommunications，2019，435：6167.

[12]WUWW，CAOY，ZHANGH，etal.Compactmagneticfieldsensorbasedonamagnetic-fluid-integratedfiberinterferometer[J].IEEEMagneticsLetters，2019，10：15.

[13]CAOY，ZHAOY，TONGZR，etal.Opticalfibermagneticfieldsensorswithpeanut-shapestructurecascadedwithLPFG[J].OptoelectronicsLetters，2016，12（5）：358360.

[14]ZHONGYM，TONGZR，SONGDY，etal.Refractiveindexandtemperaturesensorbasedoncleavedtaperandsphericalstructure[J].OptoelectronicsLetters，2020，16（3）：171175.

[15]XIONGM，GONGH，WANGZ，etal.SimultaneousrefractiveindexandtemperaturemeasurementbasedonMach-Zehnderinterferometerconcatenatingtwobi-tapersandalong-periodgrating[J].IEEESensorsJournal，2016，16（11）：42954299.

[16]LIUHF，MIAOYP，LIUB，etal.RelativehumiditysensorbasedonS-taperfibercoatedwithSiO2nanoparticles[J].IEEESensorsJournal，2015，15（6）：34243428.

[17]ZHAOJF，NIUPP，ZHANGC，etal.Temperature-compensatedfiberlaserrefractometerbasedoncompacthybridS-taper/FBGstructure[J].OpticalFiberTechnology，2018，45：300305.

[18]ZHAOWM，WANGQ.Ahighsensitivityrefractiveindexsensorbasedonthree-levelgradientstructureS-taperedfibermode-modeinterferometer[J].Measurement，2019，139：4960.

[19]LIMQ，CAOY，ZHANGH，etal.StrainandtemperaturesensorbasedonS-taperembeddedinlong-periodgrating[J].OpticalEngineering，2020，59（9）：09710510971059.

[20]LIJL，ZHANGWG，GAOSC，etal.Long-periodfibergratingcascadedtoanSfibertaperforsimultaneousmeasurementoftemperatureandrefractiveindex[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2013，25（9）：888891.

ResearchonOpticalFiberSensorBasedonS-taperStructure

YANGFan，CAOYe，LIMeiqi，JUHui

（TheCollegeofElectronicandInformation，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China）

Abstract：InviewoftheproblemsoftraditionalopticalfibersensorbasedonS-taperstructure，suchascomplexmanufacturingprocess，lowsensitivityandtemperaturecrosssensitivity，anewopticalfibersensorforsimultaneouslymeasuringrefractiveindex（RI）andtemperatureisproposedandverifiedinthispaper.ThesensorheadiscomposedofthincorefiberS-taperstructureandsphericalstructure.ThespectralcharacteristicsofRIandtemperatureareinvestigatedtheoreticallyandexperimentally.Experimentalresultsshowthatthemaximumrefractiveindexsensitivityis-201.19074nm/RIUintheRIrangeof1.3384～1.3527，whichisfourtimeshigherthanthatoftheexistingopticalfibersensorbasedonsingle-modeS-taperstructure.Andthetemperaturesensitivityis0.0717nm/℃inthetemperaturerangeof30～70℃.Bysubstitutingthesensitivitycoefficientintothesensitivitymatrix，thetwoparametersmeasurementofrefractiveindexandtemperaturecanberealized，andtheproblemoftemperaturecrosssensitivitycanalsobesolved.Thesensorhastheadvantagesoflowcost，simplestructureandhighsensitivity.

Keywords：S-taper;thin-corefiber;sphericalstructure;refractiveindex;temperature

收稿日期：20211119;修回日期：20220115

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11444001）;天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（14JYBJC16500）

作者簡(jiǎn)介：楊帆（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感。

通信作者：曹曄（1976），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感和光纖濾波。Email：cynever@163.com